比特币那年发行 03-BTC-共识协议

免责声明：本文为重点笔记，简介及系列笔记收录在专题：区块链技术与应用

双花攻击

数字货币与纸币的区别在于数字货币可以被复制，这就是所谓的双花攻击。

去中心化货币需要解决两个问题：

如何发行数字货币来验证交易的有效性，防止双重支出攻击。

它的解决方案是：

比特币的发行是由挖矿决定的，依托于区块链的数据结构。

比特币交易方式

如上图所示，比特币的发行者A拥有铸币权（createcoin）。 如果发行10个比特币，A(10)分别给B和C五个→B(5)C(5)，交易需要A的签名，证明是A同意的（由A签名）。 同时，还需要说明所花费的10个比特币从何而来。 我们可以看到A在第二个盒子里的钱来自第一个盒子里的铸币交易。

比特币系统中的每笔交易都包括输入和输出两部分。 输入部分应注明币种来源，输出部分应给出收款人公钥的哈希值。

有些交易比较复杂。 比如C的币种来源是第二个和第三个方框的交易，应该明确标明。

上图构成了一个小区块链。 这里有两种哈希指针。 每个区块之间连接着一种哈希指针，它们串在一起形成一个链表。 这是我们之前了解到的。 希腊指针。 在这个图中，还有第二种哈希指针，它是一个指向之前交易的指针，用于指示币的来源。

为什么要说明货币的来源？ : 证明币不是凭空捏造的，记录下来，也是为了防止双花攻击。

现在看第二个盒子里A给B的转账，需要A的签名和B的地址。 比特币系统中的接收地址是通过公钥计算出来的。 例如，B 的地址是通过对 B 的公钥进行哈希处理，然后进行一些转换得到的。

A怎么知道B的地址？ 比特币系统中没有查询对方地址的功能，必须通过其他渠道。 例如，如果一个电子商务网站接受比特币支付，它的地址或公钥就可以公开。

A需要知道B的地址，B需要知道A的哪些信息？ 其实B也需要知道A的公钥，它代表了A的身份。 不仅是 B，所有节点都需要知道 A 的公钥。 签名是用私钥签名，用公钥验证（注意不要和前面的知识混淆，加密是用接收者的公钥加密，用私钥解密），所以区块链上的每个节点都必须是独立验证。

那怎么才能知道A的公钥呢？ 实际上，它包含在交易中。 输入时不仅要输入币种来源，还要输入公钥。 那么就有安全漏洞了，万一B的同伙伪造了交易怎么办？ 事实上，第一个盒子的铸币交易输出有A的公钥哈希，所以第二个盒子交易中A的公钥必须与之前的哈希匹配。

比特币脚本 (BitCoinScript)

在比特币系统中，之前的验证过程都是通过执行脚本来实现的。 每笔交易的输入都是一个脚本，包括给公钥的过程，也是在输入脚本中指定的。 每笔交易的输出也是一个脚本。 要验证其合法性，需要将当前交易的输入脚本与上一笔交易（提供币源的交易）的输出脚本结合起来，看能否顺利执行。 执行指令合法。

上图是交易系统的简化。 实际上，每个区块（对应图中的每个方框）都可以有很多笔交易，这些交易形成了一颗默克尔树。 每个区块分为区块头和区块体。

堵塞

笨重

区块头包含了区块的宏观信息。 例如，包含的字段有：

这里的target就是前面说的，整个block header的hash要小于这个pre-value，即H(block header)≤target。 区块头中存储的是这个目标预置值的编码（nBits）。 这里需要注意的是，前一个区块的哈希只算作前一个区块的区块头，所以从一个区块画一个箭头到另一个区块的中间是不正确的，所以有些书上的箭头是指向块的顶部。 散列时，块头的所有部分都被散列。

块体

区块体中有一个交易列表。

前面提到的另一个内容被简化了：每个节点都需要验证所有交易。 实际上，系统中的节点分为全节点（full nodes）和轻节点（light nodes）。

比如一笔交易是否是双花攻击，轻节点并没有保存之前所有的交易信息，所以无法验证。 系统中的大多数节点都是轻节点。 我们现在主要讲全节点，因为轻节点不参与区块链的建设和维护，只是利用区块链的一些信息做一些查询。

区块链中的内容如何写入区块链？ ：每个节点和每个账户都可以发布交易，交易广播给所有节点。 有些交易是合法的，有些是非法的。

谁来决定哪些交易应该包含在下一个区块中？ 我应该按什么顺序写它们？ 每个节点自己决定好不好？ ：如果每个人都在本地维护一条区块链，则无法保证区块链的统一性，账本内容需要实现分布式共识。

分布式共识理论（理解）

分布式共识的一个简单示例是分布式哈希表。 比如系统中有很多机器共同维护一个全局哈希表。

这里需要达成什么共识？ 哈希表中包含哪些键值对（key valve pairs）。 如果有人在他的电脑上插入一个键值对，比如键'xiao'对应的是12345，即'xiao'→12345。 然后其他人在另一台计算机上阅读时应该能够阅读它。 这称为全局哈希表。

关于分布式系统有很多不可能的结果，其中最著名的就是FLP理论。 这三个字母是三位专家的简称。 他们的结论是：在异步系统中（网络传输延迟没有上限，称为异步系统）比特币那年发行，即使只有一个成员出现故障，也不可能达成共识。

还有一个著名的理论：CAP定理。 CAP 指的是分布式系统的三个理想属性：

该理论的内容是：任何分布式系统，比如分布式哈希表，最多只能满足这三个性质中的两个。

两个属性，那么第三个属性就得不到了。

比特币分布式共识的一个著名协议是Paxos，它可以保证一致性，这是第一个特性。 如果协议达成共识，那么共识必须是一致的，即每个成员认为的共识是相同的。 然而，在某些情况下，协议可能永远无法达成共识。 这种可能性比较小，但客观。

比特币共识协议（比特币中的共识）

比特币共识解决的一个问题是某些节点可能是恶意的。 我们假设系统中的大部分节点都是好的，那么如何达成共识呢？

第一个解决方案是投票。 首先，应该确定哪些区块有投票权。 有些会员有严格的要求。 在这种情况下，基于投票的解决方案是可行的。 但是在比特币系统中创建账户非常容易。 当一个人生成一对公私钥时，其他人无法知道。 只有转了钱，别人才会知道。 所以有些人可以一直开账号，当超过账号总数的一半时，他们就有了控制权。 这被称为女巫攻击（sybil attack）。 所以投票方式不可取。

比特币账户巧妙地解决了这个问题，不再按照账户数量投票，而是按照算力投票。 每个节点可以在本地组装一个候选区块，将自己认为合法的交易放入其中，然后开始尝试各种nonce值（占4字节），看哪个能满足不等式H(block header)≤target要求. 如果节点找到满足要求的随机数，则获得记账权。

所谓记账权，就是将下一个区块写入比特币账本的权利。 只有找到这个nonce，获得记账权的节点才有资格发布下一个区块。 其他节点收到区块后，需要验证区块的有效性。

H(block header)≤target，如果括号中的block header内容不正确，block header中有一个字段叫做nBits field，实际上是target预置值的一个编码，检查value是否设置nBits 字段中的正确满足比特币协议中指定的难度要求

找出这个不等式是否成立。 假设都满足要求，再查看块体中的交易列表，验证每笔交易是否合法：1.必须有合法的签名，2.之前没有花费过。 如果其中一项不符合要求，则该块不能被接受。 如果满足所有条件，则可能不会被接受。

比特币共识

看上图，如果生成了一个新的区块，你怎么知道新区块插入到哪里呢？ 根据生成区块的前一个区块指针（hashPre）。 可能会有问题，看上图，这两笔交易：A转钱给B，A转钱给自己（A'）。 这种情况不是双花攻击（double spending attack）。 判断一笔交易是否是双花攻击（double spending attack），就是看区块所在分支上的币有没有被花掉。 如图所示，直到第三个区块比特币那年发行，币还没有花完，所以这两笔交易都是合法的。 虽然交易都是合法的，但是转给自己的交易并不在最长有效链上。 这通常称为分叉攻击。 所以接收到的块应该延伸最长的合法链。

区块链在正常情况下也可能出现分叉：两个节点同时获得记账权。 每个节点在本地组装一个它认为合适的区块，然后尝试各种随机数。 如果两个节点几乎同时找到满足要求的随机数，则它们都可以发布该块。 这时，a 两根等长的叉子。 这两个都是最长的法律链，那么应该接受哪一个呢？ 在比特币协议中，默认情况下（默认的意思），每个节点接受它最早收到的那个。 因此，根据不同节点在网络中的位置，有些节点先收到一个新生成的区块，然后再接受这个区块； 一些节点先接收另一个块，然后再接受另一个块。

如何判断一个区块已经收到？比特币协议中使用了隐式委托，如果你沿着这个区块继续

扩展，即使已发布的块已获批准。 例如，在一个新生成的块之后扩展一个块表示新块被批准。

等长的临时分叉将维持一段时间，直到一个分叉获胜。 即哪条链先产生新区块，哪条链是最长的合法链。 另一个过时的称为孤立块。 这两个新块可以一起绘制。 两个区块链的胜负取决于谁的算力最强，有时也取决于谁的运气好。

竞争记账权的好处：最先获得记账权的节点具有一定的权力，可以决定将哪些交易写入下一个区块。 但这些不应该被设定为争夺记账权的动力，所以比特币巧妙地建立了一个机制：区块奖励。

比特币协议规定，获得记账权的节点可以在发布的区块中进行一项特殊的交易：铸币交易。 本次交易可以获得一定数量的比特币。

这里我们又要回到之前的问题1——谁来决定货币的发行？ Coinbase交易是比特币系统发行新比特币的唯一途径，其他交易都是比特币的转移。 本次交易无需注明币种来源。

那么可以铸造多少硬币呢？ 当初，比特币刚推出时，每个发布的区块可以产生50BTC（BTC是比特币的符号）。 协议规定，21万个区块后，初始区块奖励减半，变为25BTC。 再过210,000个区块，又会减半。

因此，当一个区块获胜时，另一个无效区块获得的比特币是没有用的，其他诚实区块将不会承认。

比特币系统要达成什么样的共识？ 实现去中心化账本共识。

谁来决定账本的内容？ 只有获得记账权的节点才能写东西。 如何正确记账？ 它是计算能力（采矿）。 根据计算能力，计算能力可以用每秒可以测试多少个nonce值来表示。

那么如何防止女巫攻击呢？ 以算力计票，无论创建多少账户，算力都无法增加。

比特币争夺记账权的过程称为挖矿，比特币称为数字黄金，节点争夺记账权称为矿工。