区块链技术与应用-04-BTC-协议

Double Spending Attack

双花攻击，数字货币本身为带有签名的数据文件，可以进行复制。即对于用户来说，可以将同一货币花费两次。

在中心化场景下，可以对货币添加一个唯一编号（不可篡改），每次支付向货币发行单位查询真伪。

去中心化需要解决的问题

1.货币由谁发行？如何发行？发行多少？什么时候发行？

当引入去中心化思想后，系统中各节点平等，交易不通过第三方，那么货币的发行权的分配必然是一个需要解决的问题。在比特币系统中，由挖矿来决定货币的发行权和发行量。

2.如何验证交易有效？如何防止双花攻击？

在去中心化交易系统中，依赖于系统中维护的一个数据结构，记录了货币的使用情况（是否被花过？被谁花过）。该数据结构由系统中全体用户共同维护，保证了交易的有效性，该数据结构就是区块链。

案例说明
如下，假定A获得铸币权，刚发布了10个比特币（该交易称为铸币交易）。A将10个比特币转给B（5个）和C（5个），A对交易进行签名，同时该交易需要说明所花掉的10个比特币的来源（来自铸币交易）。之后，B将自己的5个比特币转给了C（2个）和D（3个），该交易需要B的签名，该交易需要说明所花掉的5个比特币来自于第二个交易中。然后，C将自己所拥有的全部7个比特币都转给了E，并对该交易签名，可以发现该交易中C的比特币来源于两个交易中。这样，就构成了一个区块链。【红色部分为比特币来源】

需要注意的是，这里面有两种哈希指针。第一种为指向前面的区块（白色），使得各个区块形成链，第二种则是为了说明比特币的来源（红色）。说明比特币的来源并非凭空捏造，可以防止双花攻击。
在进行交易时，需要付款人的签名和收款人的地址，在比特币系统中，该地址为收款人的公钥的哈希。可以将其视作银行账户，根据此进行转账交易。
在交易中，收款方需要知道付款方的公钥，从而验证A签名是否有效。即A需要提供自己的公钥。实际中A转账时候提供的公钥需要和铸币交易中公钥对的上，这样就防止了恶意节点伪造A的公钥来偷走A的比特币。
在比特币系统中，通过执行脚本实现上述验证过程。将当前交易输入脚本与前一个交易输出脚本（说明币的来源的交易）拼接执行。如果可以正确执行，说明交易合法。
在该图中，一个区块仅含有一个交易，实际中一个区块中包含多个交易，交易通过Markle Tree组织起来，在区块中存储。

比特币区块信息

Block Header(区块宏观信息)	Block body
vsersion(版本协议)	...
hash of previous block header(前一个区块哈希指针)	...
merkle root hash(默克尔树根哈希值)	...
target(挖矿难度目标阈值)	...
nonce(随机数)	...

1.挖矿求解问题：Hash(block header) <=target。

2.hash of previous block header只计算block header的哈希值（merkle root hash保证block body内容不会被篡改，所以只需要计算block header即可保证整个区块内容不会被篡改）。

3.在区块链系统中，轻节点（只存储block header）只利用区块链，但并不参与区块链系统的维护和构造。

分布式共识

区块链是分布在各个节点上，如果各个节点独立打包交易，形成区块链，必然导致区块链内容不一致。从分布式系统的角度来说，账本内容需要取得分布式共识，保证区块链内容在不同节点上的一致性。

比特币共识协议

背景：假设系统中存在部分恶意节点，但存在比例较小，大多数节点为诚实的节点，在这个情况下惊醒共识协议设置。
想法一：直接投票。某个节点打包交易到区块链，将其发送给其他节点，其他节点检查该候选区块，检查正确投赞成票，若票数超过半数，加入区块链。
存在的问题
1.恶意节点不断打包不合法区块，导致一直无法达成共识，时间全花费在投票上。
2.无强迫投票手段，某些节点不投票（行政不作为）。
3.网络延迟事先未知，投票需要等多久，效率上会产生问题。
4.membership，在比特币系统中，创建账户极其简单，只需要本地生成公私钥对即可。这样，黑客就可以专门生成大量的公私钥对，当产生的数量超过系统中一半的数目，就可以获得支配地位--女巫攻击。所以这种简单的投票方案是不可行的。

比特币系统是怎么解决的
比特币系统中采用的是按照计算力投票的方案解决这个问题的。

在比特币系统中，每个节点都可以自行组装候选区块，而后尝试各种nonce值，这就是挖矿【Hash(block header) <=target】。当某个节点找到符合要求得到nonce，便获得了记账权，从而可以将区块发布到系统中。其他节点收到区块后，验证区块的合法性，如果系统中绝大多数节点验证通过，则接受该区块为最新的区块并加入到区块链中。

最长合法链原则：

如上图所示，当两个节点同时获得记账权，会发生分叉，同时存在两个等长的合法链。在缺省情况下，节点接受最先监听到的区块，该节点会沿着该区块继续延续。但随着时间延续，必然会有一个链胜出，变成最长合法链，由此保证了区块链的一致性。（被扔掉的区块被称为orphan block）。

分叉攻击

如上图所示，A对上面的A转账给B的记录回滚，从而非法获取利益。在两条链上，发现交易都合法。这就是一个典型的双花攻击。A给B转账后，用分叉攻击将钱又转给了自己，覆盖了原来的记录。

在比特币系统中，这种情况很难发生。由于上面提到的最长合法链原则，大多数矿工认可的是最长的合法链，会沿着上面的链继续挖下去。而A这个攻击者想要回退记录，就必须使得下面的链变得比上面的链还长。理论上来说，攻击者需要达到整个系统中51%的计算力，才能是这种攻击成功（51%算力攻击）。

比特币激励机制

比特币系统中，各节点需要提供算力和电力成本，为什么要这么做去竞争记账权？

比特币设计之初便考虑到这个问题，那就是引入了激励机制。比特币通过设置出块奖励来解决该问题。一个获得合法区块的节点，可以在区块中加入一个特殊交易（铸币交易）。事实上，这种方式也是唯一一个产生新比特币的途径。比特币在设计时规定，起初每个区块可以获得50个比特币，但之后每隔21万个区块，奖励减半。
区块中保存交易记录，那么，会不会存在节点只想发布区块而不想打包交易？中本聪在设计该系统时，引入了交易费。在一个区块中，其输入>=输出，差值便是给区块所属节点的手续费，这些会在后续文章中详细说明。