区块链技术与应用-05-BTC-具体实现

基于交易的账本模式

区块链是一个去中心的账本，比特币采用了基于交易的账本模式。比特币系统中并无显示记录账户包含比特币数，需要通过交易记录进行推算。在比特币系统中，全节点需要维护一个名为UTXO（Unspent Transaction Output）尚未被花掉的交易输出的数据结构。

如上图，A转给B五个BTC，转给C三个BTC。B将5个BTC花掉，则该交易不会再保存在UTXO中，C没有花掉，则该交易记录保存在UTXO中。
UTXO集合中每个元素要给出产生这个输出交易的哈希值，以及其在交易中是第几个输出。通过这两个信息，便可以定位到UTXO中的输出。

每个交易可以有多个输入，也可以有多个输出，但输入之和要等于输出之和（total inputs = total outputs）。存在一些交易的total inputs略大于total outputs，这部分差额会作为交易费给获得记账权的节点。在笔记04最后提到的“区块中保存交易记录，如果仅仅设置出块奖励，那么会不会存在节点只想发布区块获得出块奖励而不想打包交易？”因此，BTC系统设计Trancation fee（交易费），对于获得记账权的节点来说，除了出块奖励外，还能得到打包交易的交易费。但目前来说，交易费远远小于出块奖励。等到未来出块奖励变少，可能区块链的维护便主要依赖于交易费了。

double spending attack
为了防范双花攻击，判断一个交易是否合法，要查一下想要花掉的BTC是否在该集合中，只有在集合中才是合法的。如果想要花掉的BTC不在UTXO中，那么说明这个BTC要么根本不存在，要么已经被花过。所以，全节点需要在内存中维护一个UTXO，从而便于快速检测double spending（双花攻击）。
每个交易会消耗输出，但也会产生新的输出。

比特币是基于交易的模式，与之对应的，还有一种基于账户的模式（如：以太坊）。基于账户的模式要求，系统中显示记录账户余额。可以看到，比特币这种模式，隐私性好，但代价是在进行交易时，因为没有账户这一概念，无法知道账户余额剩余多少BTC，所以必须说明币的来源。而基于账户的模式，天然的避免了这种缺陷，转账就是转帐方数字的减少和接收方数字的增加。

BTC系统中区块的具体信息

如上图，可以看到区块哈希与前一块哈希都是以一长串0开头的，挖矿本身都是尝试各种nonce，使得产生的区块哈希值小于等于目标阈值。该目标阈值，表示成16进制，就是前面含有一长串的0。

如上图，可以看到，nonce是一个32位的无符号整型数据，在挖矿时候是通过不断调整nonce进行的，但可以看到，nonce的取值范围为2^32，但并非将这些nonce全部遍历一遍，就一定能找到符合要求的nonce。由于近年来，挖矿的人越来越多，挖矿的难度已经调整的比较大了，而2^32这一搜索空间太小，所以仅调整nonce很大可能找不到正确的结果。

上图为block header中对各种域的描述，仅仅调整nonce是不够的，所以这里可以通过修改merkle tree的根哈希值来调整。但是打包的交易顺序确定了，根哈希值不就确定了吗？这个怎么修改？这个就需要铸币交易了。

coinbase（铸币交易）

在之前提及到，每个发布区块的节点可以得到出块奖励，也就是可以在区块中发布一个coinbase。下面是一个coinbase的内容：

由上图，可以看到有一个coinbase域，其中可以写入任何内容。所以可以在这里添加一些信息，便可以实现无法篡改（无法删除）。所以，只要我们改变了内容，便可以改变merkle tree的根哈希值。

下图为一个小型的区块链，假定左下角交易为coinbase交易，可以看到，该交易发生会逐级向上传递，最终导致merkle tree根哈希值发生改变。

在挖矿中，包含两层循环，外层循环调整coinbase域，算出block header中根哈希值后，内层循环再调整nonce。

普通交易

如果将输入和输出脚本拼接起来可以顺利执行不出现错误，则说明交易合法。

挖矿过程的概率分析

挖矿本质上是不断尝试各种nonce，来求解这样一个puzzle。每次尝试nonce，可以视作一次伯努利试验。最典型的伯努利试验就是投掷硬币，正面和反面朝上概率为p和1-p。在挖矿过程中，一次伯努利试验，成功的概率极小，失败的概率极大。挖矿便是多次进行伯努利试验，且每次随机。这些伯努利试验便构成了a sequence of independent Bernoulli trials(一系列独立的伯努利试验)。根据概率论相关知识知道，伯努利试验本身具有无记忆性。也就是无论之前做了多少大量试验，对后续试验没有任何影响。
对于挖矿来说，便是多次伯努利试验尝试nonce，最终找到一个符合要求的nonce。在这种情况下，可以采用泊松分布进行近似，由此通过概率论可以推断出，系统出块时间服从指数分布。（需要注意的是，出块时间指的是整个系统出块时间，并非挖矿的个人）。

系统平均出块时间为10min，该时间为系统本身设计，通过难度调整维护其平均出块时间。
指数分布本身也具有无记忆性。也就是说，对于整个系统而言，已经过去10min，仍然没有人挖到区块，那么平均仍然还需要等10min。也就是说将来要挖多久和已经挖多久无关。对算力有优势的矿工来说，其之前所做大量工作仍有可能会白费。

比特币总量计算

也就是说，比特币系统中已经挖出和未挖出的比特币总数是2100万个。
实际上，挖矿这一操作并非数学难题，而是单纯的算力的比拼。也就是说，挖矿这一操作并没有实际意义，但挖矿这一过程，对于比特币系统的稳定起到重要的维护作用。
所以，只要大多数算力掌握在诚实的节点手里，便能够保障比特币系统的稳定。
*比特币越来越难被挖到，且出块奖励越来越少，是否说明未来挖矿的动力将越来越低呢？
实际上，恰恰相反。在早期比特币很容易挖到的时候，比特币并不被人们看好，而后，比特币估值上涨，吸引其他人参与挖矿，又进一步促进了比特币价值上涨，进而又吸引更多人参与进来。
当出块奖励区趋于0时，则整个系统将依赖于交易费运行，届时交易费将成为维护比特币系统运行的重要保障。*

比特币系统容安全性分析

大多数算力掌握在诚实的节点用户手中，能否保障不良交易记录不会被写入区块链？
需要注意的是，算力低的用户并非完全不能获得记账权，仅仅是概率上较低的问题。但实际上，即使拥有少量算力的恶意节点，也有一定概率获得某个区块的记账权。

可否“偷币”？（恶意节点能不能将其他账户上的比特币转给自己）
答案是不能。因为转账交易需要签名，恶意节点无法伪造他人签名。假如其获得记账权并硬往区块中写入交易，大多数用户会认为其是一个非法区块，大多数节点将不认可该区块，从而沿着其他路径挖矿，随着时间推移，拥有大多数算力的诚实的节点将会仍然沿着原来区块挖矿，从而形成一条“最长合法链”，该区块变成孤儿区块。对于供给者来说，不仅不能偷到其他人的比特币，而且得不到出块奖励，还浪费了挖矿花费的电费等成本。

可否双花攻击？
如下图1，若M已经将钱转给B，现在想再转给自己，假设其获得记账权，若按照图1方式，很明显为一个非法区块，不会被其他节点承认。
所以，M只能选择图2方式，将M转账给B的记录回滚掉。这样就有了两条等长合法链，取决于哪一个会胜出。（如果上面交易产生不可逆的外部效果，下面交易回滚便又拿回了钱，从而不正当获益）

需要注意的是，在挖矿之初便要选择上一个区块是谁。也就是说，并不是获得记账权之后才选择插入到哪一个区块之后。如何防范这种攻击？

如果在M->B这个交易之后还延续有几个区块，则大多数诚实节点不会承认下面的链。所以便变成了恶意节点挖下面的链，其他节点挖上面的链的算力比拼。由于区块链中大多数节点为善意节点，则最终上面链会胜出，而恶意节点的链会不被认可，从而导致投入成本白费。
所以，一种简单防范便是多等几个确认区块。比特币协议中，缺省需要等6个确认区块，此时才认为该记录是不可篡改的。平均出块书简10min，6个确认区块需要1个小时，可见等待时间还是比较长的。

可否故意不包含合法交易？
可以，但是可以等待后续区块打包，所以问题不大。实际运行中，可能由于某段时间实际交易数太多，而一个区块包含交易数存在最大值，导致某些合法交易并未被写入区块链（等待后续区块写入）。

selfish mining
提前挖到但不发布，继续挖下去，等到想要攻击的交易等了6次确认人为安全之后将整条链发布出去，试图回滚原来的记录。这种情况，需要恶意节点掌握系统中半数以上算力才行，否则无法成为最长合法链。

如图所示，假使挖到2号时先不发布，则其他节点仍然需要挖1号区块，若其算力足够强，能保证别人挖出1之后可以挖出3，此时可以将2和3一起发布，从而将1区块所在链最长合法链挤掉（减少了别人和自己竞争3号区块）。
但这样存在风险，如果别人已经挖出1，自己还没挖出3，则需要尽快发布2和别人竞争最长合法链地位。
需要注意的是，比特币系统中，加入发生以下情况，各个节点以自己先收到的区块所在链为主链，对后收到的合法区块会不予认可（但会先保存起来）。此时便变成了两批算力分别挖1和2，具体哪一个成为主链，取决于哪一条链先挖到下一个区块，使得两个等长合法连出现长短不一致，最终胜者成为最长合法链。