[比特币]比特币的实现

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比特币系统是一个基于交易的账本，这意味着存储在账本中的是一笔笔交易。那么在用户进行转账交易时，首先就需要确保用户所持有的数量要大于或等于将要交易的。这要做的目的是为了避免双花问题。

这种基于交易的账本好处在于隐私保护性比较好，缺点在于每次交易都需要说明币的来源。

在比特币的全节点中，会在内存中维护一个名为UTXO(Unspent Transaction Output)的数据结构 -- 未消费的交易输出，用以记录哪些交易的输出已经被消费了，哪些交易的输出还没有被消费。已经消费的交易输出会从UTXO中移除。

随着比特币系统中交易的不断增加，UTXO的体积也在不断的增加。虽然被消费的交易输出会被移除，但UTXO中也会有一些陈旧的交易输出存在。其中有些是所有者不想使用的（像中本聪账户下的），也有一些是丢了私钥花不了的。

所以在执行交易过程中，首先会从UTXO中检索交易输入的比特币的数量是否大于或等于交易输出的数量，即 \(total \quad inputs >= total \quad outputs\)，差额就是付给记账节点的小费。所以比特币的奖励不仅仅是出块奖励，还有交易过程支付的小费，不过在目前的环境下，各个节点争夺记账权主要还是为了出块奖励。

求解Puzzle

比特币中的block header结构如下：

class CBlockHeader
{
public:
    // header
    int32_t nVersion;           // 当前使用的比特币版本，不可更改
    uint256 hashPrevBlock;      // 前一个区块的Hash，不可更改
    uint256 hashMerkleRoot;     // MerkleTree的根Hash
    uint32_t nTime;             // 时间戳，因为比特币网络不要求绝对的时间同步，所以这个值可以小范围的调整
    uint32_t nBits;             // 目标阈值，根据协议定期调整
    uint32_t nNonce;            // 随机数
    ......
}

nonce是一个无符号的整数，这意味着它的取值范围在\(0 \sim 2^{32}\)。按照现在的挖矿难度来说，很可能把这\(2^{32}\)个值都算了一遍也找不到合适的值，这个时候该怎么办呢？

从上面比特币的block header的定义中，可以发现除了nonce可以修改外，还可以修改hashMerkleRoot。

上一节说过，每个区块中都包含一个铸币交易，在该交易中包含一个coinbase域。在比特币交易中，这个域是不做检测的，这意味着可以在这个域中随意写入。在《数据结构》章节中介绍MerkleTree时讲过，MerkleTree任意叶子节点的修改都会影响到MerkleTree的根Hash值。因此，当block header中的4个字节的nonce不够用的时候，可以使用其它字节，比如将coinbase域的前8个字节当做extra-nonce来使用，这样搜素空间就扩展到了\(2^{96}\)。

所以真正挖矿的时候会有两层循环，外层循环调整coinbase域的extra-nonce，算出block header里的根Hash值之后，内层循环再调整block header里的nonce。

在比特币中，求解puzzle的过程又被称为“挖矿”，因为都是在一个很大的空间中寻找一件极有价值的物品。

挖矿过程中的每一次尝试都可以看做是一个Bernoulli trial，也就是说每次计算的结果都不会影响到下一次计算的结果。

虽然挖矿过程本身并没有什么实际意义，但挖矿的过程对于维护比特币系统的安全性至关重要。挖矿提供了一种以算力投票的有效手段，只要大部分算力掌握在诚实节点手中，系统的安全性就能够得到保障。

比特币系统安全性分析

假设大部分算力是掌握在诚实的矿工手里，那我们能得到什么样的安全保证？能不能保证写入区块链的交易都是合法的？

挖矿给出的只是概率上的保证，只能说有比较大的概率下一个区块是由诚实的矿工发布的，但不能保证记账权不会落在有恶意的节点手里。

偷币

恶意节点能不能偷币？答案是不能，因为他没有别热的私钥，无法伪造别人的签名。

如果恶意节点硬将偷币的交易写到区块链上，诚实节点是不会接受这个这个区块的，因为它包含有非法交易。所以诚实节点会继续沿着前一个区块挖，生成新的区块来代替非法区块，其他诚实节点会沿着这个合法区块继续往下挖。比特币的要求是扩展正常合法链，这样做的结果不仅没有得到区块奖励，没有偷到钱，还白白浪费了算力。

双花

恶意节点能不能实现双花攻击？答案也是不能的。假如M转账给A的交易已经写到了一个区块里面，现在他获得了记账权，又发起一笔交易把转给A的钱再转给自己，发起双花攻击。诚实节点是不会接受这个区块的。

如果他还想发布这个区块，那就只能将这个区块连接到记录上次转账交易区块的前一个区块。而区块要插在哪个位置，这是在挖矿开始时就决定的，因为block header中要填写上一个block header的Hash。这样操作的话，会产生两条链，且这两条链都是合法的。之后就要看其他节点会按哪一条链往下扩展了，最终只会有一条链胜出，另一条链会作废。

双花攻击的目的是为了在向A转账得到某些东西后，再将花出去的钱转给自己，从而达到不当获利的目的。但按照上面的操作，只会产生两种结果：向A支付比特币购买物品，或者将钱转给自己，什么也没得到。显然这两种结果都没达成双花攻击的目的。

那么针对使用比特币支付购买商品时，怎样才能避免上面的问题呢？

在比特币协议中，默认在包含该交易的区块后有6个新增的区块，这时才能认为交易成功。以平均10分钟的出块时间记，需要在交易发起一小时后才能确认交易。

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