区块链学习之比特币（六）

比特币项目简介

比特币是基于区块链技术的一种数字货币实现，比特币网络是历史上首个经过大规模、长时间检查的数字货币系统

比特币网络在功能上具有如下特点：

• 去中心化： 意味着没有任何独立个体可以对网络中的交易进行破坏，任何交易请求都需要大多数参与者的共识。
• 匿名性： 比特币网络中账户地址是匿名的，无法从交易信息关联到具体的个体，但这也意味着很难进行审计
• 通胀预防： 比特币的发行需要通过挖矿计算来进行，发行量每四年减半，总量上限为2100万枚，无法被超发。

原理和设计

比特币网络是一个分布式的点对点网络，网络中的矿工通过“挖矿”来完成对交易记录的记账过程，维护网络的正常运行。

区块链网络提供一个公共可见的记账本，该记账本并非记录每个账户的余额，而是用来记录发生过得交易的历史信息。该设计可以避免重放攻击，即某个合法交易被多次重新发送造成攻击。

基本交易过程

基本交易过程： 每次发生交易，用户需要将新交易记录写到比特币区块链网络中，等网络确认后即可认为交易完成。每个交易包括一些输入和一些输出，未经使用的交易的输出（Unspent Transaction Outputs,UTXO）可以被新的交易引用作为合法的输入，被使用过的交易的输出（Spent Transaction Outputs,STO）则无法被引用作为合法输入。一笔合法的交易，即引用某些已存在交易的UTXO作为交易的输入，并生成新的输出的过程

在交易过程中，转账方需要通过签名脚本来证明自己是UTXO的合法使用者，并且指定输出脚本来限制未来本交易的使用者（收款方）

注意： 刚放进网络中的交易（深度为0）并非是实时得到确认的。进入网络中的交易存在着被推翻的可能性，一般要再生成几个新的区块（深度大于0）才认为该交易被确认。

重要概念

账户/地址
比特币采用了非对称的加密算法，用户自己保留私钥，对自己发出的交易进行签名确认，并公开私钥。
比特币的账户地址其实就是用户公钥经过一系列Hash及编码运算后生成的160位（20字节）的字符串。

交易
交易是完成比特币功能的核心概念

交易脚本
脚本是保障交易完成（主要用于检验交易是否合法）的核心机制，当所依附的交易发生时被触发。通过脚本机制而非写死交易过程，比特币网络实现了一定的可扩展性。比特币脚本语言是一种非图灵完备的语言，类似Forth语言。

一般每个交易都会包括：

• 输出脚本： 一般由付款方对交易设置锁定，用来对能动用这笔交易输出（例如，要花费交易的输出）的对象（收款方）进行权限控制，例如限制必须是某个公钥的拥有者才能花费这笔交易。
• 认领脚本： 用来证明自己可以满足交易输出脚本的锁定条件，即对某个交易的输出（比特币）的拥有权。

区块
比特币区块由区块头和区块体组成，要对区块链的完整性进行检查，只需要检查各个区块头信息即可，无需获取具体的交易内容，这也是简单交易验证的基本原理。

创新设计

比特币在设计上的创新点主要体现在避免作恶、负反馈调节和共识机制三个方面。

避免作恶
避免作恶基于经济博弈原理。通过经济博弈来让合作者得到利益，让非合作者遭受损失和风险。

负反馈调节
比特币网络中矿工越多，系统就越稳定，比特币价值就越高，但挖到矿的概率会降低。反之，网络中矿工减少，会让系统更容易被攻击，比特币价值降低，但挖到矿的概率会提高。

共识机制
传统共识问题往往是考虑在一个相对封闭的分布式系统中，允许同时存在正常节点、故障节点如何快速达成一致

比特币提出了基于Proof of Work（Pow）的共识机制：基于概率、随时间逐步增强确认的共识。现有达成的结果在理论上可能被推翻，只是攻击者要付出的代价随时间而指数级上升，被推翻的可能性随之指数级下降。
可用性的提升：考虑到Internet的尺度，达成共识的时间相对比较长，因此按照区块（一组交易）来进行阶段性的确认（快照），从而提高网络整体的可用性。
减少提案的个数：限制网络中共识的噪声，通过大量的Hash计算和少数的合法结果来限制合法提案的个数，进一步提高网络中共识的稳定性。

挖矿

基本原理

挖矿是参与维护比特币网络的节点，通过协助生成新区块来获取一定量新增比特币的过程。

挖矿过程

具体过程： 参与者综合上一个区块的Hash值，上一个区块生成之后的新的验证过得交易内容，再加上自己猜测的一个随机数X，一起打包到一个候选新区块，让新区块的Hash值小于比特币网络中给定的一个数。

系统每隔两周会根据上一周期的挖矿时间来调整挖矿难度（通过调整限制数的大小），调节生成区块的时间稳定在10分钟左右。为了避免震荡，每次调整的最大幅度为4倍。

如何看待挖矿

矿工个体达到全网1/3的算力，比特币网络就存在被破坏的风险了；达到1/2的算力，从概率上就掌控了整个网络了。但是要实现这么大的算力，将需要付出巨大的经济成本。除了尽量避免将算力放到同一个组织手里，没太好的办法，这是目前Pow机制自身造成的。

共识机制

比特币区块链采用 PoW 的机制来实现共识，对PoW试图改进衍生了PoS和DPoS, 原理仍然为通过经济惩罚来限制恶意参与。

工作量证明

工作量证明（Pow）通过计算来猜测一个数值（nonce），使得拼凑上交易数据后内容的Hash值满足规定的上线。由于Hash难题在目前计算模型下需要大量的计算，这就保证在一段时间内系统中只能出现少数合法提案。反过来，能够提出合提案也证明提案者确实付出了一定的工作量。

权益证明

权益证明：类似于现实生活中的股东机制，拥有股份越多的人越容易获取记账权（同时更倾向于维护网络的正常工作）

典型过程：通过保证金（代币、资产、名声等具备价值属性的物品即可）来对赌一个合法的块成为新的区块，收益为抵押资本的利息和交易服务费。提供证明的保证金（例如通过转账货币记录）越多，则获得记账权的概率就越大。合法记账者可以获得收益。

PoS试图解决在PoW中大量资源被浪费的缺点，受到了广泛的关注。恶意参与者将存在保证金被罚没的风险，即损失经济利益。

一般情况下，对于PoS来说，需要掌握超过全网1/3的资源，才有可能左右最终的结果。

闪电网络

比特币的一大缺点为交易性能：全网每秒7笔左右的交易速度，远低于传统金融交易系统；同时，等待6个区块的可信确认将导致约一个小时的最终确认时间。为了提升性能，提出了闪电网络等创新设计

闪电网络： 将大量交易放到比特币区块链之外进行，只把关键环节放到 链上进行确认。

闪电网络主要通过引入智能合约的思想来完善链下的交易渠道。核心的思想主要有两个：

• RSMC： 解决链下交易的确认问题
• HTLC： 解决支付通道的问题

RSMC

RSMC 即 “可撤销的顺序成熟度合同”。主要原理类似于资金池机制。

基本过程： 首先假定双方之间存在一个“微支付通道”（资金池）。交易双方先预存一部分资金到“微支付通道”里，初始情况下双方的分配方案等于预存的金额。每次发生交易，需要对交易后产生资金的分配结果共同进行确认，同时签字把旧版本的分配方案作废掉。任何一方需要提现时，可以将他手里双方签署过得交易结果写到区块链网络中，从而被确认。

优点： RSMC整个过程只有提现时才需要通过区块链，可以实现大量中间交易发生在链外。

HTLC

微支付通道是通过HTLC来实现的，中文意思是“哈希的带时钟的合约”。这其实就是限时转账

基本过程：通过智能合约，双方约定转账方先冻结一笔钱，并提供一个哈希值，如果在一定时间内有人能提出以个字符串，使得它的哈希后的值与已知值匹配（实际上意味着转账方授权了接收方来提现），则这笔钱转给接收方

闪电网络的概念

RSMC 保障了两个人之间的直接交易可以在链下完成，HTLC保障了任意两个人之间转账都可以通过一条“支付”通道来完成。闪电网络整合者两种机制，就可以实现任意两个人之间的交易都在链下完成。
在整个交易中，智能合约起到了中介的重要角色，而区块链网络则确保最终的交易结果被确认。

侧链

侧链协议：允许资产在比特币区块链和其他区块链之间互转。简单来说，以比特币区块链作为主链，其他区块链作为侧链，二者通过双向挂钩，实现比特币从主链转移到侧链进行流通。（实现了比特币区块链的扩展）

SPV 证明

在比特币系统中验证交易时，涉及交易合法性检查、双重花费检查、脚本检查等。由于验证过程需要完整的UTXO记录，通常要由运行着完整功能几点的矿工来完成。而很多时候用户只关心与自己相关的那些交易，只希望能够知道交易是否合法、是否已在区块链中存在了足够的时间（即获得足够的去人），而不需要自己成为完整节点做出完整性验证。

简单支付验证（Simplified Payment Verfication, SPV）: 能够以较小的代价判断某个支付交易是否已经被验证过（存在于区块链中），以及得到了多少算力保护。SPV 客户端只需要下载所有区块的去块头，进行简单的定位和计算工作，就可以验证结论。

侧链协议中，用SPV来证明一个动作却是已经在区块链中发生过，称为SPV证明。SPV证明包括两部分内容：

• 一组区块头的列表，表示工作量证明
• 一个特定输出确实存在于某个区块中的密码学证明

双向挂钩

侧链协议的设计难点在于如何让资产在主链和侧链之间安全流转。

具体来说，协议采用双向挂钩机制实现比特币向侧链的转移和返回。主链和侧链需要对对方的特定交易做SPV验证。过程如下：

热点问题

设计中的权衡

比特币的设计目标在于支持一套安全、开放、分布式的数字货币系统。围绕着一目标，比特币协议的设计中很多地方都体现了权衡的思想：

• 区块容量： 大容量可带来更高的交易吞吐率，但会增加挖矿成本，带来中心化的风险，同时增大存储的代价。权衡设计当前的区块容量上限设定为1MB。
• 出块间隔时间： 更短的出块间隔时间可以缩短交易确认时间，但也可能导致分叉增多，降低网络可用性。
• 脚本支持程度： 更强大的脚本指令集可以带来更多的灵活性，但也会引入更多的安全风险

分叉

当需要修复漏洞、扩展功能或调整结构时，比特币需要在全网的配合下进行升级。升级通常涉及更改交易的数据结构或区块的数据结构。

分布在全球的节点不可能同时完成升级来遵循新的协议，因此升级时可能出现分叉。把网络中升级的几点称为新几点，未升级的节点称为旧节点，根据新旧节点相互兼容性上的区别，可分为软分叉和硬分叉：

• 软分叉： 如果旧节点仍然能够验证接受新节点产生的交易和区块，则称为软分叉。
• 硬分叉： 如果旧节点不能接受新节点产生的交易和区块，则称为硬分叉。

硬分叉升级区块链协议的难度大于软分叉，但软分叉能做的事情有限，大的改动只能通过硬分叉来完成。

交易延展性

交易延展性：是比特币的一个设计缺陷，是指当交易发起者对交易签名之后，交易ID仍然可能被改变。

延展性攻击会带来一些问题：

• 在原始交易未被确认之前广播ID改变的交易可能误导相关方对交易状态的判断，甚至发动拒绝服务攻击
• 多重签名场景下：一个签名者有能力改变交易ID，会给其他签名者的资产带来潜在风险
• 阻碍闪电网络等比特币扩展方案的实施

扩容之争

比特币区块容量现在在1MB以下，交易量已不能满足交易需求。比特币的一系列的方案提出：链上扩容提议、用侧链或闪电网络扩展比特币等

扩容之争主要有两派提出的方案：

• 核心开发者的 Bitcoin Core 团队主推的隔离见证方案（SegWit）： 将交易中的签名部分从交易的输入中隔离出来，放到交易末尾的被称为见证的字段当中。同时，将区块容量上限理论上提高到4MB
• Bitcoin Unlimited 团队推出的方案（BU）： 扩展比特币客户端，使矿工可以自由配置他们想要生成和验证的区块容量

比特币的监管和追踪

比特币的匿名特性，使得其交易的监管变得十分困难。
不过通过分析大量公开可得的交易记录，有很大概率可以追踪到比特币的实际转移路线，甚至可以追踪到真实用户

相关工具

客户端

比特币客户端用于和比特币网络进行交互，同时也可以参与网络的维护。
客户端分为三种：

• 完整客户端： 存储所有的交易历史记录，功能完备
• 轻量级客户端： 不保存交易副本，交易需要向别人查询
• 在线客户端： 通过网页模式来浏览第三方服务器提供的服务

钱包

比特币钱包可以存储和保护用户的私钥,并提供查询比特币余额、收发比特币等功能。
根据私钥存储方式不同，钱包分为以下几种：

• 离线钱包： 离线存储私钥，也称为“冷钱包”，安全性相对较强，但无法直接发送交易，便利性差
• 本地钱包： 用本地设备存储私钥，可直接向比特币网络发送交易，易用性强，但本地设备存在被攻击风险
• 在线钱包：用钱包服务器存储经用户口令加密过得私钥，易用性强，但钱包服务器同样可能被攻击
• 多重签名钱包：由多方共同管理一个钱包地址，比如2 of 3 模式下，集合三位管理者中两位的私钥便可以发送交易

矿机

比特币矿机是专门为“挖矿”设计的硬件设备，目前主要包括基于GPU和ASIC芯片的专用矿机。

总结