如何用Rust语言构建一个基本的区块链应用，并用实际案例来演示区块链的工作原理和应用

作者：禅与计算机程序设计艺术

1.简介

在区块链领域，已经出现了很多种不同的方案，从最原始的比特币到现如今的基于分布式数据库的各类公链系统等等。这些方案都采用了区块链技术，用来解决“去中心化”、“可追溯”和“安全”的问题。虽然各有千秋，但是作为一名合格的区块链工程师或技术人员，我们需要对区块链技术有一个全面的认识，并且能够理解其中的原理、算法和应用。Rust语言也成为一种开发者非常热门的语言之一，通过这个语言可以构建出安全且高性能的区块链应用。本教程将介绍如何用Rust语言构建一个基本的区块链应用，并用实际案例来演示区块链的工作原理和应用。

2.基本概念及术语说明

本教程主要基于《A Brief Introduction to Blockchain Technologies》这本书的内容进行编写。该书由三个作者联合撰写，分别是：一个技术专家、两个研究人员、以及五个软件工程师。书中提到的技术包括：BT、以太坊、闪电网络、密码学、密码学基础、物理学、经济学、图灵完备性、分片网络、侧链、DAG、多重签名、闪电子、区块链共识机制、图灵完整性证明等。

概念

分布式账本

分布式账本（Distributed Ledger Technology, DLT）是一个用于存储和共享数字信息的数据结构，被广泛应用于各种场景中，其中最著名的应用就是 BT 和 Hyperledger Fabric 。一条记录在分布式账本上不可更改，只能追加新纪录，并且所有的记录都是公开透明的。任何人都可以随时查询到数据，而且整个过程完全自动化，不需要任何实体参与其中。

协议

“协议”是指一系列的规则和标准，规定了网络节点如何相互交流，以及节点之间如何达成共识。BT 使用的是 Nakamoto 协议，它可以让网络中任意两台计算机可以直接通信，而不必经过任何中间人。其他一些加密货币也使用了不同的协议，比如 Ethereum 的 Casper，Hyperledger Fabric 的 PBFT 协议等。这些协议的目的就是使得所有结点都遵守相同的规则，避免分裂产生独立的链条。

节点

如果我们把区块链看作一个网络，那么每个节点就是该网络中的一台计算机。节点之间通过通信彼此了解对方的情况，然后就可以进行交换交易，或者进行验证新的区块。节点也会接收并验证网络中其他节点发送的交易。节点的数量越多，网络的安全性就越高。

区块链浏览器

区块链浏览器是一个可以访问区块链网络的客户端应用程序。用户可以在浏览器上查看区块链上的交易记录、余额信息、地址等，还可以进行转账交易等。不同的区块链浏览器根据不同的区块链平台提供不同的服务。像 Ethereum Classic 和 EOS 可以通过一个区块链浏览器界面访问。

钱包

用户可以使用个人计算机上的钱包管理私钥和地址。钱包可以帮助用户管理密钥对、创建、导入、导出账户等。除了支付功能外，钱包还可以保存其他应用生成的密钥，用于离线签名和签名授权等。

BT

比特币是第一个发行的加密货币，被设计用于支持点对点交易。发币者持有币的同时，也可以将这些币用于支付费用、赚取利息、购买商品等。比特币的单位是聪（satoshi）。每笔交易被记录下来，其他所有参与者都会收到通知。由于整个网络被运行在开放的互联网环境中，任何人都可以随时加入其中。

以太坊

以太坊是第二个主要的加密货币项目。它支持智能合约，允许开发者发布可审计的合同，并通过权益证明（Proof-of-stake）的方式参与区块链网络。以太坊的运行方式类似于 BT ，但拥有更丰富的功能集。以太坊的单位是 ether (ETH)。

侧链

侧链是基于主链的分叉链，通常只在两个方向上扩展主链，从而实现一定的隔离性和可控性。侧链主要用来解决主链的扩容瓶颈、降低网络延迟、保护自身利益等需求。

DAG

DAG（Directed Acyclic Graph）即有向无环图，是一种常用的区块链数据结构。它在区块链中有着独特的作用，因为它可以有效地降低区块链的网络延迟、降低资源消耗、提升交易速度。

交易所

交易所是一个促进数字货币交易的服务机构。交易所会提供给用户托管和交易数字货币，还有提供交易所账户服务、代币注册服务、KYC/AML 审核服务等。目前市面上常见的数字货币交易所有 Binance、Bitfinex、KuCoin、OKEx、Poloniex 等。

钱包

钱包是在网络上进行数字资产交易的工具。钱包软件可以创建数字钱包、导入私钥、管理密钥、创建账户、执行转账交易、查看交易历史等功能。不同类型的数字货币钱包有 Metamask、MyEtherWallet、Nami Wallet、Trust Wallet、Ledger Wallet、TokenPocket 等。

矿工

矿工是负责创建新的区块的节点，并对区块进行确认。矿工要收集交易信息并打包成区块，然后将区块发送给全网的其他节点验证。如果某个矿工的节点发现有多个矿工同时打包一个区块，它就会选择其中验证收入最高的那个区块，并将它添加到主链上。

挖矿

是矿工采集比特币、以太币等的行为。当用户请求账户创建的时候，一般都会预先分配一定数量的比特币或以太币作为激励，并按照指定的时间间隔进行挖矿。如果满足条件，则可以获得相应的比特币或以太币。

区块大小

一个区块通常包含多个交易信息。区块的大小可以根据交易量、网络吞吐率等因素来调整。对于以太坊来说，一般设置的区块大小为15-20M字节，相当于平均每秒交易2万笔。如果网络负载很高，区块大小可能需要适当增加。

交易手续费

交易手续费是区块链上的一项费用，由用户支付给矿工以鼓励网络成员的验证。交易手续费的支付和集合体现在网络中不同节点之间的协作。例如，Ethereum 将矿工的收益作为区块奖励，并与用户的交易手续费一起计算和分配。

加密算法

加密算法是一种根据公开的秘密信息，对消息或数据进行编码、解码的方法。常见的加密算法有 RSA、ECC、Diffie-Hellman Key Exchange、Elliptic Curve Cryptography 等。这些加密算法有利于防止窃听、篡改、伪造等攻击。

非对称加密

非对称加密是加密算法的一个子集，它可以同时生成公钥和私钥。公钥可以对消息进行加密，私钥则可以对消息进行解密。私钥必须严格保密，而公钥则可以随意分享。常用的非对称加密算法有 RSA、ECDSA、EDDSA、Schnorr Signatures 等。

椭圆曲线密码学

椭圆曲线密码学是一种加密算法，它利用椭圆曲线的加法运算来加密消息。椭圆曲线密码学可以将消息映射到另一个公开的椭圆曲线上，使得攻击者无法直接计算出对应的私钥。常用的椭圆曲线密码学算法有 ECDH、ECDSA、EdDSA 等。

可信时间戳

数字签名依赖于时间戳来确定消息的真实性。可信时间戳（Trusted Timestamping）是一种提供第三方时间信息的技术，其目的是验证签名是否由可信的源头签发。常用的可信时间戳包括 NTP、GPS、蓝牙、Wi-Fi、TLS 等。

派生公钥

派生公钥是一种生成共享密钥的方式。主密钥由一个私钥和一个关联的公钥组成。派生公钥是由私钥派生得到的公钥。派生公钥可以在不同的设备之间共享，而不需要使用相同的私钥。

分片网络

分片网络是一种分布式网络模型，可以让大型网络分割成小范围的网络，这样就可以减少单个节点的网络压力。目前，分片网络主要有三种类型：侧链网络、共享账本网络和许可链网络。

闪电网络

闪电网络（Lightning Network）是一种分布式网络，旨在解决传统支付网络遇到的短期效应。闪电网络中存在两种参与方，分别是发起方和接收方。发起方需要支付一定金额给接收方，但是在付款过程中并不直接发生转账。闪电网络中存在一条“快速路径”，这条路径可以让两方之间的付款快速完成。闪电网络还引入了电路结算（Circuit Switching），可以让某些情况下的付款变得更加快速和安全。

哈希函数

哈希函数是一种用来将任意长度的输入转换成固定长度的输出值的函数。它可以保证信息的匿名性、不可改变性和唯一性。SHA-256、MD5 等哈希算法被广泛用于加密货币领域。

密钥衍生函数

密钥衍生函数（Key Derivation Function）是一种基于哈希函数的算法，用于生成一系列密钥。常用的密钥衍生函数包括PBKDF2、Scrypt、Argon2、Bcrypt等。

流畅理论

流畅理论认为信息的传输速率超过光速时，则可以保持信息的完整性和不被篡改。然而，由于传播速度限制，信息传输需要有所缓冲。流畅理论认为网络需要有缓冲区，并且缓冲区的大小需要足够大，才可以满足信息传输的需求。

分层级架构

分层级架构（Hierarchical Architecture）是一种互连网络架构模式，它将复杂的业务系统划分为多个层次，并在层次之间设置边界。不同层次之间通过接口进行通信，接口又分为消费者接口和生产者接口。生产者接口向上层提供数据和服务，消费者接口则接受来自上层的数据和服务。

拜占庭将军问题

拜占庭将军问题是分布式系统中的拜占庭将军问题，它是一种容错性问题，旨在确保系统在部分故障的情况下仍然能够继续运行。拜占庭将军问题涉及两个角色：拜占庭将军和普通进程。拜占庭将军必须异步地发送消息到其他进程，但是拜占庭将军知道所有进程的动作序列，所以他可以通过分析所有进程的动作序列来恢复系统状态。

Paxos算法

Paxos算法是一个分布式算法，用于解决分布式系统中一致性问题。Paxos算法的目标是要在一群分布式进程（即集群中的机器）上获得一个值，保证所有进程都具有相同的值，并对这个值做出决定。Paxos算法是正确的，即使系统中发生了部分故障，算法仍然能继续运行。

共识机制

共识机制是指分布式系统中多个节点之间如何就某个值达成共识。共识机制最重要的属性是强一致性。如果一个分布式系统中的所有节点都认可某个值，那么这个值就是全局一致的。常用的共识机制有PBFT、PoW、Raft、ZAB、VRF等。

PoS区块链

PoS区块链是一种权益证明机制的区块链，这种机制可以使得区块链上产生的新的币按需流通。PoS区块链上的币持有者会被激励去维护区块链网络，并通过投票的方式来决定何时铸造新区块。PoS区块链的权益证明算法被称为“随机权益证明”。

图灵完备性

图灵完备性是指一种编程语言中的能力，即可以在任意计算可能的情况下，判定其运行结果是否与已知的某种规则相符。目前，图灵完备的编程语言有 LISP、Erlang、Oz、Coq、Haskell、Agda 等。

去中心化自治组织

去中心化自治组织（Decentralized Autonomous Organization, DAO）是一种新的基于区块链的组织形式。DAO 通过智能合约来建立治理结构，并通过投票来决定决策。与传统的企业组织不同，DAO 有更多的自治权力，可以自主决策、掌握财务报表、发行股票、任命董事长等。

技术

Merkle树

Merkle树是一种数据结构，它是一种树形数据结构，它将一串值（称为元素或 leaves）通过哈希函数整合成一个值，该值可以代表整棵树。Merkle树的根哈希值可以校验该树中任意一个元素的正确性，可以避免对树的其他部分进行散列重新构造的过程。

MimbleWimble

MimbleWimble是一种比特币区块链的变体。它与传统的比特币区块链不同，不使用复杂的工作量证明（POW）算法来验证交易。相反，它采用了更加简洁的零知识证明（ZKPoS）算法。MimbleWimble在可扩展性、隐私性、并发性方面都有较大的提升。

零知识证明

零知识证明（Zero Knowledge Proof）是指一种证明协议，它证明某个消息或信息，只有参与者知道真正的值。零知识证明协议要求参与者证明自己知道某个特定值，却不能提供具体的值。零知识证明协议可以用于隐藏信息、证明诚实度、身份认证、数字签名等场景。常用的零知识证明协议有：BBPedersen协议、Bulletproofs、Bulletproof+、Ligero、Stealth Address、Halo等。

比特币脚本

比特币脚本（BT Script）是一种基于堆栈的指令集，它是用于控制比特币的交易逻辑的一套脚本语言。比特币脚本的指令集可以处理条件判断、数学运算、哈希运算、数据操作等。比特币脚本提供了一套强大的抽象语法树，用于构建复杂的交易逻辑。

默克尔树

暗默克尔树（Merkle Tree）是一种二叉树，它将一组哈希值哈希成一个根哈希值，根哈希值可以校验整棵树的正确性。默克尔树与默克尔函数紧密相关。

STARKs

STARKs（Scalable Transparent ARgument of Knowledge）是一种零知识证明协议，它可以在不暴露任何信息的前提下证明某个语句成立。STARKs通过将同态复用（Reusable Matches）优化到极致，并利用张量积技巧优化计算，可以将复杂的多项式时间复杂度算法缩减至线性时间复杂度算法。

SNARKs

SNARKs（Succinct Non-Interactive Argument of Knowledge）是一种零知识证明协议，它可以在不暴露任何信息的前提下证明某个语句成立。与STARKs相比，SNARKs的证明树更简洁，因此更容易验证。

不可变数据结构

不可变数据结构（Immutable Data Structure）是一种数据结构，它的状态不会因外部的影响而改变。常用的不可变数据结构有哈希表、链表、树等。

FlyClient

FlyClient是一种比特币的可伸缩方案。FlyClient不需要下载整个区块链，只需要下载最近几个区块即可。它采用了压缩区块、垃圾收集、异构连接等技术，可以让区块链同步和验证的过程更加高效。

Segwit

Segwit是一种比特币升级方案，它在比特币区块链上引入一种新特性——交易推迟（Transaction Delays）。Segwit使得区块链的交易确认时间缩短，从而减轻了网络拥塞和交易确认成本。

Lightning网络

Lightning网络是一种新型的点对点电子支付网络，它使用移动支付应用程序来进行支付。它最大的优点是比传统支付网络更加简单、快速、私密。

闪电桥

闪电桥是一种点对点支付网络，它是使用闪电网络进行支付的。闪电桥使用户可以发送和接收资金，而不需要中央服务器来托管账户信息。

比特币泛化抽象层

比特币泛化抽象层（BT Genesis Abstraction Layer）是一种协议，它定义了一套共识机制，对比特币的底层操作做出统一规范。比特币泛化抽象层的目的是为了实现跨链互操作性。

Fee sniping

Fee sniping是一种攻击方式，它通过构造虚假交易来盗取用户的币。Fee sniping攻击使用户的交易费很低，交易很快就会被确认。

Lightning network derivatives

Lightning network derivatives是一种闪电网络的衍生品，它允许用户在闪电网络上交易衍生品，如期货合约、贵金属指数、黄金持仓权、债券等。

UTXO模型

UTXO模型（Unspent Transaction Output）是比特币的原生记账模型，它通过保存未使用的UTXO（未花费的交易输出）来进行记账。UTXO模型是比特币的基础性质，没有它就没有比特币。UTXO模型可以方便地进行双重花销。

Lightning node

Lightning node是一种使用闪电网络协议的比特币节点，它可以在闪电网络上接收和发送资金。Lightning node有着独特的特征，即它们必须保持良好的网络连接，并且需要保持高度同步。

Decentralized exchange

Decentralized exchange（DEX）是指在无需依赖中心化的情况下，依靠分布式网络实现价值转移的交易平台。用户可以通过自己的设备连接到平台上，进行交易。DEX使用户可以快速进行交易，而无需担心交易所的风险。常见的DEX包括Uniswap、Balancer、0x等。

HODL

HODL（Hold Your Coin）是指投资人将自己的币持有到一定时间后再卖出的行为。HODL常常导致币价波动过大，导致投资损失。

提款证明

提款证明（Proof of Retrievability）是一种零知识证明，它证明某个输出可以被检索，但不能证明其输出具体的值。提款证明可以用于证明某个输出或交易发生之前，某人曾经持有过这笔钱。常用的提款证明协议有Groth16、Abe20、Merkle Tree Accumulator、MimbleWimble Commitment等。

Hydra

Hydra是一种用于构建弹性支付网关的加密货币项目。Hydra利用聪明 contracts 和 sharding 来实现可扩展性和隐私性。Hydra 在比特币和莱特币上进行了测试，并取得了良好效果。

Zcash

Zcash是一种基于零知识证明的加密货币，它采用混合网络结构，可以抵御经济衰退。它还引入了通过合并几笔交易来减少数据冗余的混合锻造方案。

Cosmos

Cosmos是一个跨链互操作性框架，它可以让多个区块链网络之间可以相互操作。Cosmos将不同区块链网络的共识机制和区块数据统一起来，可以让各个区块链网络上的同质资产和不同资产可以互相转移。

Substrate

Substrate是一个模块化区块链开发框架，它可以让开发者可以快速构建自有区块链。Substrate 使用 Rust 语言来构建，提供了高度可配置、模块化和可组合的系统架构。

Sidetree

Sidetree是一种分布式文件系统，它将区块链和IPFS（InterPlanetary File System）绑定，让区块链上的内容存储在IPFS上。Sidetree可以在多个区块链上构建分布式应用，并在必要时切换到更快的本地存储。

Orchid v2

Orchid v2是一种分布式应用程序，它可以让用户储存和发送数字资产。Orchid v2使用智能合约在区块链上部署资产，使用户能够自由选择个人的存储媒介，而不需要信任任何第三方。

IRISnet

IRISnet是一个兼顾可用性、安全性和稳定性的区块链项目。IRISnet兼顾可用性和安全性，它通过模块化的架构和高效的共识机制来保证网络的健壮性和安全性。IRISnet为公链生态系统提供了开源的参考实现。

Polkadot

Polkadot是一个多链互联网协议，它可以让用户在不同的区块链上进行交互。Polkadot可以将不同的代币、资产、应用程序链接在一起，形成无缝的系统。Polkadot可以让用户在不同的区块链上进行转账和交易，从而实现价值的流动性和可替代性。