節點 (node) – 在區塊鏈中這是什麼？

加密貨幣和區塊鏈技術的世界正在迅速發展，吸引越來越多的參與者。然而，在加密交易所和錢包的美觀界面背後，隱藏著複雜的基礎設施，確保整個系統的運作。這些基礎設施的核心是節點——任何區塊鏈網絡的基本元素。什麼是節點，它執行什麼功能，為什麼它們對於加密貨幣的運作如此重要？在這篇文章中，我們將詳細分析節點的工作原理及其在現代區塊鏈網絡中的角色。

什麼是區塊鏈中的節點 (node)？

基本定義

區塊鏈中的節點 (node) 是連接到區塊鏈網絡的計算機或設備，儲存整個區塊鏈或其部分的副本並參與交易的驗證和傳播過程。每個節點都是去中心化網絡中的聯絡點，處理並傳遞有關交易和區塊的信息給其他節點。

實質上，節點是執行特定軟件的伺服器，使其能夠與特定的區塊鏈網絡互動。例如，要成為比特幣網絡中的節點，需要安裝比特幣核心 (Bitcoin Core) 程序，而以太坊則需要 Geth 或 Parity。

單詞 “node” 從英語翻譯為 “節點”，這非常準確地反映了這些設備的功能——它們是全球區塊鏈網絡中的聯絡節點，確保其完整性、安全性和去中心化。

節點如何參與交易確認過程

交易確認過程是區塊鏈中節點的關鍵功能之一。當用戶發起交易（例如，將加密貨幣發送給其他用戶）時，這些信息會在網絡中擴散並進入未確認交易池。

節點在確認交易時執行以下操作：

1. 有效性檢查：節點檢查交易是否符合網絡規則。例如，他們會確認發送者確實擁有足夠的加密貨幣進行發送，並且數字簽名是正確的。
   
2. 信息擴散：如果交易被認為是有效的，節點會將其傳遞給網絡中的其他節點。
   
3. 包含在區塊中：挖礦節點將已驗證的交易合併到區塊中，並嘗試找到加密難題的解決方案（在使用工作量證明的網絡中）。
   
4. 新區塊檢查：當新區塊被創建時，所有節點都會檢查它，如果有效則將其添加到自己的區塊鏈副本中。然後，他們將有關新區塊的信息傳遞給其他節點。
   
5. 歷史存儲：節點存儲所有已確認交易的歷史，確保區塊鏈的透明性和不可篡改性。
   

通過這個過程，區塊鏈網絡可以在沒有中央管理機構的情況下運行，而用戶可以放心他們的交易的安全性和正確性。

節點的類型：全節點、輕節點、挖礦節點

在區塊鏈網絡中存在不同類型的節點，每種類型執行特定的功能：

1. 完整節點（Full node） – 保留區塊鏈的完整副本，並檢查所有交易和區塊是否符合網絡規則。完整節點是去中心化的基礎，因為它們獨立驗證所有數據，而不依賴於對其他參與者的信任。
   
2. 輕節點 (Light node) – 僅保存區塊標題，而不是完整的交易歷史。輕量的節點依賴於完整的節點來驗證交易。它們需要較少的資源，可以在限制能力的設備上運行，如智慧手機。
   
3. 挖礦節點 (Mining node) – 一種類似完整節點的特殊類型，除了驗證交易外，還參與創建新區塊。挖礦節點彼此競爭，解決複雜的數學問題，以獲得將新區塊添加到鏈上的權利並獲得獎勵。

除了這些基本類型，還有：

• 檔案節點 – 不僅存儲區塊鏈的當前狀態，還存儲所有變更歷史，這使它們對於分析和研究特別有價值。
  
• 主節點 – 在某些區塊鏈網絡中執行額外功能的特殊節點，如確保私密交易、投票網絡治理問題等。啟動主節點通常需要以相應網絡的代幣作為押金。
  
• 質押節點 – 參與使用股份證明（Proof of Stake）網絡中的交易確認過程，鎖定（質押）一定數量的加密貨幣。
  

選擇節點類型取決於網絡參與者的目標、技術能力和對於維護區塊鏈投入資源的意願。

節點在區塊鏈網絡中的運作原理？

節點之間如何連接

區塊鏈網絡是一個對等（peer-to-peer）網絡，在這裡節點彼此直接互動，無需中央伺服器。這種互動確保了整個系統的完整性和安全性。

節點互動機制包括：

1. 發現節點: 當新的節點加入網絡時，它必須找到現有的節點以進行連接。這可以通過預先編程的 “seed nodes”（種子節點）、DNS伺服器或其他發現機制進行。
   
2. 建立連接: 每個節點支援與其他節點的多個連接，形成複雜的關聯網絡。例如，Bitcoin 網絡中的節點通常維持從 8 到 125 個活動連接。
   
3. 數據交換協議: 節點使用專門的協議來交換信息。這些協議定義了哪些數據及其格式在節點之間傳輸。
   
4. 同步: 當新的節點連接到網絡時，必須與當前區塊鏈的狀態進行同步，下載從網絡創建以來的所有區塊（對於完整節點）或僅需的信息（對於輕節點）。
   
5. 信息擴散: 當節點接收到新的交易或區塊時，它會驗證這些信息，並在它們有效的情況下，將信息傳遞給所有連接的節點，確保數據在整個網絡中的快速傳播。
   

這種架構確保了網絡對故障和攻擊的高度韌性。即使某些節點失效或被攻擊，網絡也將通過剩餘的連接繼續運行。

節點在驗證和數據傳遞過程中的工作原理

節點的主要任務是維持對區塊鏈狀態的共識。為此，它們執行一系列複雜的過程：

1. 接收和驗證交易:
   
   • 當用戶發送交易時，它會進入幾個節點的 mempool（記憶池）。
   • 每個節點檢查交易是否符合協議規則：數字簽名的正確性，資金是否充足，格式是否合理等等。
   • 有效的交易被保存到節點的記憶池中，並傳遞給網絡中的其他節點。
     
2. 區塊的形成 (對於挖礦節點)：
   
   • 挖礦節點從記憶池中選擇交易，優先選擇提供更高手續費的交易。
   • 它們創建新的區塊候選，將前一區塊的哈希、時間戳、所選交易根哈希的默克爾樹及其他必要數據納入其中。
   • 然後它們嘗試找到一個 nonce（隨機數）值，使得區塊的哈希滿足特定的難度條件（在工作量證明網絡中）。
     
3. 驗證和接受新區塊:
   
   • 當節點收到有關新區塊的信息時，它會進行一系列檢查：區塊結構是否符合協議，所有包含的交易的有效性，區塊哈希的正確性等。
   • 如果區塊通過所有檢查，節點將其添加到自己的區塊鏈版本中，並將新區塊的信息傳遞給其他節點。
   • 如果節點發現區塊鏈的替代版本（分叉），它將遵循選擇最長鏈或具有最高累積難度的鏈的規則（根據協議）。
     
4. 處理 分叉:
   
   • 有時在網絡中可能會出現情況，不同的礦工同時找到了有效的區塊，導致區塊鏈（分叉）中的暫時不一致。
   • 節點將繼續在兩個分支上工作，直到其中一個變得更長。然後它們承認更長的鏈是有效的，並丟棄替代版本。
     
5. 狀態更新:
   
   • 在接受新區塊後，節點更新其對當前區塊鏈狀態的表示：地址餘額、智能合約的狀態（在支持它們的網絡中）等。

這個複雜的過程確保了整個網絡中的數據完整性和一致性，儘管缺少中央管理機構。

節點的類型

全節點

完整節點（Full node）是任何區塊鏈網絡的基礎。它負責下載並存儲區塊鏈的完整副本，從第一個區塊（創世區塊）開始，並自主檢查每一筆交易是否符合網絡的規則。

完整節點的特徵：

1. 完全獨立 – 完整節點不依賴於對其他網絡參與者的信任，自主檢查所有數據。
   
2. 顯著的系統要求 – 存儲和處理完整區塊鏈需要相當強大的設備。例如，對於比特幣的完整節點，大約需要500 GB的硬碟空間（截至2024年），而以太坊則需要更多。
   
3. 初始同步的長時間 – 在首次啟動完整節點時，可能需要幾天的時間來加載和檢查整個區塊鏈的歷史。
   
4. 對於網絡的高度價值 – 網絡中的完整節點越多，它越去中心化，對攻擊的抵抗力越強。
   

完整節點的功能：

• 從網絡建立之初起保存所有交易的完整歷史
• 獨立驗證所有交易和區塊
• 傳播新交易和區塊的信息
• 滿足輕客戶端的請求（在某些網絡中）
• 參加協議更新的投票（在某些區塊鏈中）

完整節點的軟體示例：

• 適用於比特幣網絡的Bitcoin Core 比特幣
• 適用於以太坊的Geth或Parity 以太坊
• 適用於Solana的Solana Validator Solana
• 適用於Cardano的Cardano Node Cardano

啟動完整節點為用戶提供了最大的安全性和私密性，因為所有交易都是在本地驗證的，無需信任外部伺服器。此外，啟動完整節點的網絡參與者對區塊鏈的健康和去中心化作出了重要貢獻。

輕節點 (Light node)

輕節點（Light node），也稱為輕客戶端，是一種簡化版本的節點，不存儲完整的區塊鏈副本。相反，它僅加載區塊標題和驗證特定交易所需的最少信息。

輕節點的特徵：

1. 低系統要求 – 輕節點能在資源有限的設備上運行，例如智能手機或平板電腦。
   
2. 快速同步 – 開始時僅需加載區塊標題，比完整節點的同步快得多。
   
3. 信任模型 – 輕量級節點依賴完整節點以獲取區塊鏈狀態信息和驗證交易。
   
4. 對網絡安全的貢獻較小 – 輕量級節點不參與對所有交易的完整驗證，因此其對網絡安全的貢獻小於完整節點。
   

輕量級節點的功能：

• 加載和驗證區塊標頭
• 使用簡化支付驗證 (SPV, 簡化支付驗證) 來驗證特定交易
• 在網絡上創建和發送自己的交易
• 監控用戶感興趣的特定地址或智能合約

工作技術：

輕量級節點使用由中本聪在比特幣原始論文中提出的簡化支付驗證 (SPV) 方法。這種方法允許在不下載整個區塊的情況下檢查交易是否包含在區塊中：

1. 節點請求完整節點提供有關感興趣交易在區塊鏈中包含的證明（通常是使用默克爾樹進行的）。
2. 完整節點提供默克爾路徑，證明該交易確實包含在特定區塊中。
3. 輕量級節點檢查此證明，並確認交易的存在，而無需下載整個區塊的數據。

輕量級客戶端的示例：

• 比特幣的 Electrum
• Metamask 以太坊用
• Trust Wallet 用於不同的區塊鏈
• Atomic Wallet 用於多貨幣操作

輕量級節點提供安全性和易用性之間的良好平衡。它們允許普通用戶與區塊鏈進行交互，而無需分配大量資源來維護完整節點。

挖礦節點 (Mining node)

挖礦節點（Mining node）是一種專門的完整節點類型，它不僅檢查和傳播交易，還積極參與新區塊的創建。這些節點在使用工作量證明 (PoW) 共識算法的網絡中發揮著關鍵作用，例如比特幣、萊特幣和其他一些。

挖礦節點的特徵：

1. 對計算能力的高要求 – 有效挖礦需要專門的設備，例如比特幣的ASIC礦機或強大的圖形處理器（GPU) 用於其他一些加密貨幣。
   
2. 消耗大量電力 – 挖礦過程需要大量能量，這是主要的運營開支之一。
   
3. 競爭模型 – 礦工彼此競爭以獲得創建新區塊的權利並獲得獎勵。
   
4. 財務動機 – 礦工會獲得以新幣和包含在區塊中的交易手續費的獎勵。
   

挖礦節點的工作過程：

1. 交易收集 – 挖礦節點從內存池中收集未驗證的交易，優先考慮那些提供更高手續費的交易。
   
2. 創建區塊候選者 – 節點形成區塊標頭，包含前一區塊的哈希、時間戳、所選交易的梅克爾根哈希以及其他必要數據。
   
3. 尋找解決方案 – 礦工不斷修改區塊標頭中的nonce（一次性數字），計算哈希，試圖找到一個值，使得哈希滿足網站的難度要求（通常這意味著哈希必須小於某個特定目標值）。
   
4. 宣布解決方案 – 當解決方案找到後，礦工立即在網絡上宣布新區塊，以便其他節點可以檢查並添加到他們的區塊鏈副本中。
   
5. 獲得獎勵 – 找到有效解決方案的礦工將獲得新幣的獎勵（例如，在比特幣中這是區塊獎勵）和所有包含在區塊中的交易手續費。
   

挖礦池：

由於熱門網絡中日益增加的挖礦難度，個別礦工經常組成挖礦池——參與者組成的群體，他們結合自己的計算能力，並根據貢獻的計算工作按比例分享獲得的獎勵。這使得收入更加穩定，儘管比起單獨發現區塊來說收入要少。

環保考量：

近年來，挖礦的環境影響受到了相當大的關注，特別是在比特幣等計算難度高的網絡中。這促使人們尋找更具能源效率的替代方案，如權益證明（PoS），在這種方式下，新的區塊創建者是根據鎖定（質押）的貨幣數量而不是計算能力來選擇的。

挖礦軟件的例子：

• CGMiner 和 BFGMiner 用於比特幣
• T-Rex 和 NBMiner 用於各種 GPU 挖礦算法
• XMRig 用於門羅幣

挖礦節點是工作量證明系統中最重要的元素，確保網絡的安全性和交易的確認。

節點如何支持網絡的安全性和去中心化？

節點在區塊鏈去中心化中的角色

節點在確保區塊鏈網絡去中心化方面扮演著根本性角色——這是使這項技術與傳統集中式系統區別開來的關鍵原則之一。

節點對去中心化影響的主要方面：

1. 分散式數據存儲:
   
   • 每個完整節點都存儲完整的區塊鏈副本，這意味著數據不會集中在單個服務器或一組服務器上。
   • 即使大量節點失效，數據仍然可以通過剩餘的節點訪問。
   • 這使得區塊鏈對於審查和對基礎設施的物理攻擊具有韌性。
     
2. 獨立驗證:
   
   • 每個完整節點獨立檢查所有交易和區塊，而不依賴於對其他網絡參與者的信任。
   • 這排除了對可信中介或中央權威的需求。
   • 用戶可以在不信任任何特定人的情況下，依賴協議的規則來確保數據的正確性。
     
3. 地理分佈:
   
   • 節點通常分佈在世界各地，位於不同的司法管轄區和政治系統中。
   • 這保護了網絡免受本地攻擊、互聯網中斷或某些國家的法律限制。
   • 節點的地理分佈越廣，網絡對區域性問題的抵抗力就越強。
     
4. 公開訪問:
   
   • 在大多數公共區塊鏈中，任何人都可以在不需要獲得許可的情況下啟動一個節點。
   • 這降低了參與的門檻，並防止特定組織獨佔網絡。
   • 開放的參與模式促進了節點數量的增長和去中心化的加強。
     
5. 共識管理:
   
   • 在某些區塊鏈網絡中，節點操作員可以參與針對協議更新或規則變更的投票。
   • 這創造了一個去中心化的管理模式，決策是集體做出的。
   • 一個例子可以是 Bitcoin 中的軟分叉啟動過程，通過節點發出準備信號進行。

去中心化的挑戰：

儘管有優勢，但仍存在可能限制去中心化的因素：

• 技術障礙 – 啟動完整節點需要一定的技術知識和資源，這可能限制參與者的範圍。
• 經濟激勵 – 在某些網絡中，對於啟動非驗證節點的經濟激勵不足，這可能導致它們的數量不足。
• 計算能力集中 – 在 PoW 網絡中，挖礦可能集中在大型礦池或擁有廉價電力的公司手中。
• 區塊鏈的大小 – 隨著區塊鏈大小的增長，對數據存儲的要求也增加，這可能導致完整節點的數量減少。

強化去中心化的措施：

區塊鏈項目採取各種措施來支持和加強去中心化：

• 開發優化，降低運行節點的資源要求
• 創建節點啟動獎勵計劃
• 開發抗ASIC的挖礦算法，以防止計算能力的中心化
• 實施促進節點地理分佈的機制

獨立參與者啟動的節點越多，區塊鏈網絡就越去中心化和穩定，這符合這項技術的基本原則。

由節點支持的共識原則

共識是機制，允許去中心化網絡中的所有節點達成對區塊鏈狀態的共識。節點在維護各種共識協議中發揮著關鍵作用，確保整個系統的可靠運行。

區塊鏈網絡中的主要共識機制：

1. 工作量證明 (PoW) – Proof of Work:
   
   • 應用於比特幣、萊特幣、狗狗幣等
   • 節點的角色：挖礦節點在解決需要大量計算資源的複雜數學問題上進行競爭。完整節點檢查找到的解決方案的正確性和所創建塊的有效性。
   • 安全性：基於這樣的假設，即控制網絡的大部分計算能力在經濟上是不切實際的。
   • 節點將累積難度最大的最長鏈視為有效的區塊鏈版本。
     
2. 權益證明 (PoS) – Proof of Stake:
   
   • 應用於以太坊 2.0、卡爾達諾、索拉納等
   • 節點的角色：驗證者（特定類型的節點）鎖定（質押）一定數量的加密貨幣作為保證金，根據其股份的大小獲得創建塊的權利。
   • 安全性：基於經濟激勵——如果驗證者行為不端，他們冒著失去其質押的風險。
   • 節點選擇的有效鏈是擁有最多共用驗證者質押的那條鏈。
     
3. 委託權益證明 (DPoS) – 委託的權益證明:
   
   • 在 EOS 中應用
     

結論

節點在任何區塊鏈網絡的運行和安全性中扮演著關鍵角色。它們確保數據的完整性、交易的確認和去中心化，這使得它們成為加密生態系統中不可或缺的元素。理解節點的工作原理和類型對於開發者和驗證者來說非常重要，對於希望深入理解數字資產基礎設施的投資者來說更是如此。選擇正確的節點類型不僅能支持網絡，還能因其活動獲得獎勵。

為什麼節點在區塊鏈網絡中的角色如此重要

節點（Nodes）是連接到區塊鏈網絡的計算機或設備，執行重要功能以確保其穩定性和安全性。節點的主要任務包括：

• 存儲區塊鏈的完整或部分副本。 這保證了所有交易歷史仍然可用且不變。
  
• 確認交易和區塊。 驗證節點通過檢查交易和新區塊的正確性參與共識。
  
• 確保去中心化。 網絡中活動的節點越多，中心化風險越低，這使得網絡對攻擊和故障更具抵抗力。
  

例如，在比特幣或以太坊這樣的網絡中，節點有助於參與者之間的數據同步並防止雙重花費。得益於節點，區塊鏈保持開放、安全且完全透明。

如何選擇合適的節點類型參加網絡

選擇節點類型取決於您的目標和資源。存在幾種基本類型的節點：

1. 完整節點 (Full Node)。
   存儲完整的區塊鏈副本並參與所有交易和區塊的驗證。這是想要最大程度促進網絡安全的用戶最可靠的選擇。然而，這些節點需要大量的計算能力和內存容量。
   
2. 輕量節點 (Light Node 或 SPV Node)。
   僅存儲區塊標頭並根據需要請求所需的信息。這種選擇適合資源有限的用戶，想在不進行完全同步的情況下與網絡互動。
   
3. 主節點 (Masternode)。
   提供網絡的額外功能（例如，即時交易、DAO 管理），通常需要在網絡的本地加密貨幣中質押。作為回報，主節點將獲得獎勵，這使它們成為長期投資者的有趣選擇。
   
4. 歸檔節點 (Archive Node)。
   旨在滿足需要訪問網絡完整數據的用戶，包括所有歷史賬戶狀態。對分析師和開發人員非常有用。
   

選擇節點時重要考慮因素有：

• 存儲容量和網速；
  
• 維護預算和潛在獎勵；
  
• 您的技術技能和管理意願。
  

對於初學者來說，輕量節點是最佳解決方案。對於有經驗的市場參與者，想要深入參與並獲得被動收入的人，應考慮啟動完整節點或主節點。