區(qū)塊鏈學習之比特幣（六）

比特幣項目簡介

比特幣是基于區(qū)塊鏈技術(shù)的一種數(shù)字貨幣實現(xiàn)，比特幣網(wǎng)絡(luò)是歷史上首個經(jīng)過大規(guī)模惠勒、長時間檢查的數(shù)字貨幣系統(tǒng)

比特幣網(wǎng)絡(luò)在功能上具有如下特點：

去中心化：意味著沒有任何獨立個體可以對網(wǎng)絡(luò)中的交易進行破壞，任何交易請求都需要大多數(shù)參與者的共識河狐。
匿名性：比特幣網(wǎng)絡(luò)中賬戶地址是匿名的郎哭，無法從交易信息關(guān)聯(lián)到具體的個體狂鞋，但這也意味著很難進行審計
通脹預(yù)防：比特幣的發(fā)行需要通過挖礦計算來進行著淆，發(fā)行量每四年減半劫狠，總量上限為2100萬枚拴疤，無法被超發(fā)赖瞒。

原理和設(shè)計

比特幣網(wǎng)絡(luò)是一個分布式的點對點網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中的礦工通過“挖礦”來完成對交易記錄的記賬過程珍坊，維護網(wǎng)絡(luò)的正常運行岩四。

區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)提供一個公共可見的記賬本，該記賬本并非記錄每個賬戶的余額劫笙，而是用來記錄發(fā)生過得交易的歷史信息。該設(shè)計可以避免重放攻擊，即某個合法交易被多次重新發(fā)送造成攻擊孕惜。

基本交易過程

基本交易過程： 每次發(fā)生交易，用戶需要將新交易記錄寫到比特幣區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中晨炕，等網(wǎng)絡(luò)確認后即可認為交易完成衫画。每個交易包括一些輸入和一些輸出，未經(jīng)使用的交易的輸出（Unspent Transaction Outputs,UTXO）可以被新的交易引用作為合法的輸入瓮栗，被使用過的交易的輸出（Spent Transaction Outputs,STO）則無法被引用作為合法輸入削罩。一筆合法的交易，即引用某些已存在交易的UTXO作為交易的輸入费奸，并生成新的輸出的過程

在交易過程中弥激，轉(zhuǎn)賬方需要通過簽名腳本來證明自己是UTXO的合法使用者，并且指定輸出腳本來限制未來本交易的使用者（收款方）

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注意：剛放進網(wǎng)絡(luò)中的交易（深度為0）并非是實時得到確認的愿阐。進入網(wǎng)絡(luò)中的交易存在著被推翻的可能性微服，一般要再生成幾個新的區(qū)塊（深度大于0）才認為該交易被確認。

重要概念

賬戶/地址
比特幣采用了非對稱的加密算法缨历，用戶自己保留私鑰以蕴，對自己發(fā)出的交易進行簽名確認，并公開私鑰辛孵。
比特幣的賬戶地址其實就是用戶公鑰經(jīng)過一系列Hash及編碼運算后生成的160位（20字節(jié)）的字符串丛肮。

交易
交易是完成比特幣功能的核心概念

交易腳本
腳本是保障交易完成（主要用于檢驗交易是否合法）的核心機制，當所依附的交易發(fā)生時被觸發(fā)魄缚。通過腳本機制而非寫死交易過程宝与，比特幣網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了一定的可擴展性。比特幣腳本語言是一種非圖靈完備的語言鲜滩，類似Forth語言伴鳖。

一般每個交易都會包括：

輸出腳本：一般由付款方對交易設(shè)置鎖定，用來對能動用這筆交易輸出（例如徙硅，要花費交易的輸出）的對象（收款方）進行權(quán)限控制榜聂，例如限制必須是某個公鑰的擁有者才能花費這筆交易。
認領(lǐng)腳本：用來證明自己可以滿足交易輸出腳本的鎖定條件嗓蘑，即對某個交易的輸出（比特幣）的擁有權(quán)须肆。

區(qū)塊
比特幣區(qū)塊由區(qū)塊頭和區(qū)塊體組成匿乃，要對區(qū)塊鏈的完整性進行檢查，只需要檢查各個區(qū)塊頭信息即可豌汇，無需獲取具體的交易內(nèi)容幢炸，這也是簡單交易驗證的基本原理。

創(chuàng)新設(shè)計

比特幣在設(shè)計上的創(chuàng)新點主要體現(xiàn)在避免作惡拒贱、負反饋調(diào)節(jié)和共識機制三個方面宛徊。

避免作惡
避免作惡基于經(jīng)濟博弈原理。通過經(jīng)濟博弈來讓合作者得到利益逻澳，讓非合作者遭受損失和風險闸天。

負反饋調(diào)節(jié)
比特幣網(wǎng)絡(luò)中礦工越多，系統(tǒng)就越穩(wěn)定斜做，比特幣價值就越高苞氮，但挖到礦的概率會降低。反之瓤逼，網(wǎng)絡(luò)中礦工減少笼吟，會讓系統(tǒng)更容易被攻擊，比特幣價值降低霸旗，但挖到礦的概率會提高贷帮。

共識機制
傳統(tǒng)共識問題往往是考慮在一個相對封閉的分布式系統(tǒng)中，允許同時存在正常節(jié)點定硝、故障節(jié)點如何快速達成一致

比特幣提出了基于Proof of Work（Pow）的共識機制：基于概率皿桑、隨時間逐步增強確認的共識。現(xiàn)有達成的結(jié)果在理論上可能被推翻蔬啡，只是攻擊者要付出的代價隨時間而指數(shù)級上升诲侮，被推翻的可能性隨之指數(shù)級下降。
可用性的提升：考慮到Internet的尺度箱蟆，達成共識的時間相對比較長沟绪，因此按照區(qū)塊（一組交易）來進行階段性的確認（快照），從而提高網(wǎng)絡(luò)整體的可用性空猜。
減少提案的個數(shù)：限制網(wǎng)絡(luò)中共識的噪聲绽慈，通過大量的Hash計算和少數(shù)的合法結(jié)果來限制合法提案的個數(shù)，進一步提高網(wǎng)絡(luò)中共識的穩(wěn)定性辈毯。

挖礦

基本原理

挖礦是參與維護比特幣網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點坝疼，通過協(xié)助生成新區(qū)塊來獲取一定量新增比特幣的過程。

挖礦過程

具體過程：參與者綜合上一個區(qū)塊的Hash值谆沃，上一個區(qū)塊生成之后的新的驗證過得交易內(nèi)容钝凶，再加上自己猜測的一個隨機數(shù)X，一起打包到一個候選新區(qū)塊唁影，讓新區(qū)塊的Hash值小于比特幣網(wǎng)絡(luò)中給定的一個數(shù)耕陷。

系統(tǒng)每隔兩周會根據(jù)上一周期的挖礦時間來調(diào)整挖礦難度（通過調(diào)整限制數(shù)的大械嗝），調(diào)節(jié)生成區(qū)塊的時間穩(wěn)定在10分鐘左右哟沫。為了避免震蕩饺蔑，每次調(diào)整的最大幅度為4倍。

如何看待挖礦

礦工個體達到全網(wǎng)1/3的算力嗜诀，比特幣網(wǎng)絡(luò)就存在被破壞的風險了猾警；達到1/2的算力，從概率上就掌控了整個網(wǎng)絡(luò)了裹虫。但是要實現(xiàn)這么大的算力肿嘲，將需要付出巨大的經(jīng)濟成本。除了盡量避免將算力放到同一個組織手里筑公，沒太好的辦法，這是目前Pow機制自身造成的尊浪。

共識機制

比特幣區(qū)塊鏈采用 PoW 的機制來實現(xiàn)共識匣屡，對PoW試圖改進衍生了PoS和DPoS, 原理仍然為通過經(jīng)濟懲罰來限制惡意參與。

工作量證明

工作量證明（Pow）通過計算來猜測一個數(shù)值（nonce）拇涤，使得拼湊上交易數(shù)據(jù)后內(nèi)容的Hash值滿足規(guī)定的上線捣作。由于Hash難題在目前計算模型下需要大量的計算，這就保證在一段時間內(nèi)系統(tǒng)中只能出現(xiàn)少數(shù)合法提案鹅士。反過來券躁，能夠提出合提案也證明提案者確實付出了一定的工作量。

權(quán)益證明

權(quán)益證明：類似于現(xiàn)實生活中的股東機制掉盅，擁有股份越多的人越容易獲取記賬權(quán)（同時更傾向于維護網(wǎng)絡(luò)的正常工作）

典型過程：通過保證金（代幣也拜、資產(chǎn)、名聲等具備價值屬性的物品即可）來對賭一個合法的塊成為新的區(qū)塊趾痘，收益為抵押資本的利息和交易服務(wù)費慢哈。提供證明的保證金（例如通過轉(zhuǎn)賬貨幣記錄）越多，則獲得記賬權(quán)的概率就越大永票。合法記賬者可以獲得收益卵贱。

PoS試圖解決在PoW中大量資源被浪費的缺點，受到了廣泛的關(guān)注侣集。惡意參與者將存在保證金被罰沒的風險键俱，即損失經(jīng)濟利益。

一般情況下世分，對于PoS來說编振，需要掌握超過全網(wǎng)1/3的資源，才有可能左右最終的結(jié)果罚攀。

閃電網(wǎng)絡(luò)

比特幣的一大缺點為交易性能：全網(wǎng)每秒7筆左右的交易速度党觅，遠低于傳統(tǒng)金融交易系統(tǒng)雌澄；同時，等待6個區(qū)塊的可信確認將導致約一個小時的最終確認時間杯瞻。為了提升性能镐牺，提出了閃電網(wǎng)絡(luò)等創(chuàng)新設(shè)計

閃電網(wǎng)絡(luò)： 將大量交易放到比特幣區(qū)塊鏈之外進行，只把關(guān)鍵環(huán)節(jié)放到鏈上進行確認魁莉。

閃電網(wǎng)絡(luò)主要通過引入智能合約的思想來完善鏈下的交易渠道睬涧。核心的思想主要有兩個：

RSMC：解決鏈下交易的確認問題
HTLC：解決支付通道的問題

RSMC

RSMC 即 “可撤銷的順序成熟度合同”。主要原理類似于資金池機制旗唁。

基本過程： 首先假定雙方之間存在一個“微支付通道”（資金池）畦浓。交易雙方先預(yù)存一部分資金到“微支付通道”里，初始情況下雙方的分配方案等于預(yù)存的金額检疫。每次發(fā)生交易讶请，需要對交易后產(chǎn)生資金的分配結(jié)果共同進行確認，同時簽字把舊版本的分配方案作廢掉屎媳。任何一方需要提現(xiàn)時夺溢，可以將他手里雙方簽署過得交易結(jié)果寫到區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中，從而被確認烛谊。

優(yōu)點： RSMC整個過程只有提現(xiàn)時才需要通過區(qū)塊鏈风响，可以實現(xiàn)大量中間交易發(fā)生在鏈外。

HTLC

微支付通道是通過HTLC來實現(xiàn)的丹禀，中文意思是“哈希的帶時鐘的合約”状勤。這其實就是限時轉(zhuǎn)賬

基本過程：通過智能合約，雙方約定轉(zhuǎn)賬方先凍結(jié)一筆錢双泪，并提供一個哈希值持搜，如果在一定時間內(nèi)有人能提出以個字符串，使得它的哈希后的值與已知值匹配（實際上意味著轉(zhuǎn)賬方授權(quán)了接收方來提現(xiàn)）攒读，則這筆錢轉(zhuǎn)給接收方

閃電網(wǎng)絡(luò)的概念

RSMC 保障了兩個人之間的直接交易可以在鏈下完成朵诫，HTLC保障了任意兩個人之間轉(zhuǎn)賬都可以通過一條“支付”通道來完成。閃電網(wǎng)絡(luò)整合者兩種機制薄扁，就可以實現(xiàn)任意兩個人之間的交易都在鏈下完成剪返。
在整個交易中，智能合約起到了中介的重要角色邓梅，而區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)則確保最終的交易結(jié)果被確認脱盲。

側(cè)鏈

側(cè)鏈協(xié)議：允許資產(chǎn)在比特幣區(qū)塊鏈和其他區(qū)塊鏈之間互轉(zhuǎn)。簡單來說日缨，以比特幣區(qū)塊鏈作為主鏈钱反，其他區(qū)塊鏈作為側(cè)鏈，二者通過雙向掛鉤，實現(xiàn)比特幣從主鏈轉(zhuǎn)移到側(cè)鏈進行流通面哥。（實現(xiàn)了比特幣區(qū)塊鏈的擴展）

SPV 證明

在比特幣系統(tǒng)中驗證交易時哎壳，涉及交易合法性檢查、雙重花費檢查尚卫、腳本檢查等归榕。由于驗證過程需要完整的UTXO記錄，通常要由運行著完整功能幾點的礦工來完成吱涉。而很多時候用戶只關(guān)心與自己相關(guān)的那些交易刹泄，只希望能夠知道交易是否合法、是否已在區(qū)塊鏈中存在了足夠的時間（即獲得足夠的去人）怎爵，而不需要自己成為完整節(jié)點做出完整性驗證特石。

簡單支付驗證（Simplified Payment Verfication, SPV）: 能夠以較小的代價判斷某個支付交易是否已經(jīng)被驗證過（存在于區(qū)塊鏈中），以及得到了多少算力保護鳖链。SPV 客戶端只需要下載所有區(qū)塊的去塊頭姆蘸，進行簡單的定位和計算工作，就可以驗證結(jié)論芙委。

側(cè)鏈協(xié)議中乞旦，用SPV來證明一個動作卻是已經(jīng)在區(qū)塊鏈中發(fā)生過，稱為SPV證明题山。SPV證明包括兩部分內(nèi)容：

一組區(qū)塊頭的列表，表示工作量證明
一個特定輸出確實存在于某個區(qū)塊中的密碼學證明

雙向掛鉤

側(cè)鏈協(xié)議的設(shè)計難點在于如何讓資產(chǎn)在主鏈和側(cè)鏈之間安全流轉(zhuǎn)故痊。

具體來說顶瞳，協(xié)議采用雙向掛鉤機制實現(xiàn)比特幣向側(cè)鏈的轉(zhuǎn)移和返回。主鏈和側(cè)鏈需要對對方的特定交易做SPV驗證愕秫。過程如下：

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熱點問題

設(shè)計中的權(quán)衡

比特幣的設(shè)計目標在于支持一套安全慨菱、開放、分布式的數(shù)字貨幣系統(tǒng)戴甩。圍繞著一目標符喝，比特幣協(xié)議的設(shè)計中很多地方都體現(xiàn)了權(quán)衡的思想：

區(qū)塊容量：大容量可帶來更高的交易吞吐率，但會增加挖礦成本甜孤，帶來中心化的風險协饲，同時增大存儲的代價。權(quán)衡設(shè)計當前的區(qū)塊容量上限設(shè)定為1MB缴川。
出塊間隔時間：更短的出塊間隔時間可以縮短交易確認時間茉稠，但也可能導致分叉增多，降低網(wǎng)絡(luò)可用性把夸。
腳本支持程度：更強大的腳本指令集可以帶來更多的靈活性而线，但也會引入更多的安全風險

分叉

當需要修復漏洞、擴展功能或調(diào)整結(jié)構(gòu)時，比特幣需要在全網(wǎng)的配合下進行升級膀篮。升級通常涉及更改交易的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)或區(qū)塊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)嘹狞。

分布在全球的節(jié)點不可能同時完成升級來遵循新的協(xié)議，因此升級時可能出現(xiàn)分叉誓竿。把網(wǎng)絡(luò)中升級的幾點稱為新幾點磅网，未升級的節(jié)點稱為舊節(jié)點，根據(jù)新舊節(jié)點相互兼容性上的區(qū)別烤黍，可分為軟分叉和硬分叉：

軟分叉：如果舊節(jié)點仍然能夠驗證接受新節(jié)點產(chǎn)生的交易和區(qū)塊知市，則稱為軟分叉。
硬分叉：如果舊節(jié)點不能接受新節(jié)點產(chǎn)生的交易和區(qū)塊速蕊，則稱為硬分叉嫂丙。
硬分叉升級區(qū)塊鏈協(xié)議的難度大于軟分叉，但軟分叉能做的事情有限规哲，大的改動只能通過硬分叉來完成跟啤。

交易延展性

交易延展性：是比特幣的一個設(shè)計缺陷，是指當交易發(fā)起者對交易簽名之后唉锌，交易ID仍然可能被改變隅肥。

延展性攻擊會帶來一些問題：

在原始交易未被確認之前廣播ID改變的交易可能誤導相關(guān)方對交易狀態(tài)的判斷，甚至發(fā)動拒絕服務(wù)攻擊
多重簽名場景下：一個簽名者有能力改變交易ID袄简，會給其他簽名者的資產(chǎn)帶來潛在風險
阻礙閃電網(wǎng)絡(luò)等比特幣擴展方案的實施

擴容之爭

比特幣區(qū)塊容量現(xiàn)在在1MB以下腥放，交易量已不能滿足交易需求。比特幣的一系列的方案提出：鏈上擴容提議绿语、用側(cè)鏈或閃電網(wǎng)絡(luò)擴展比特幣等

擴容之爭主要有兩派提出的方案：

核心開發(fā)者的 Bitcoin Core 團隊主推的隔離見證方案（SegWit）：將交易中的簽名部分從交易的輸入中隔離出來秃症，放到交易末尾的被稱為見證的字段當中。同時吕粹，將區(qū)塊容量上限理論上提高到4MB
Bitcoin Unlimited 團隊推出的方案（BU）：擴展比特幣客戶端种柑，使礦工可以自由配置他們想要生成和驗證的區(qū)塊容量

比特幣的監(jiān)管和追蹤

比特幣的匿名特性，使得其交易的監(jiān)管變得十分困難匹耕。
不過通過分析大量公開可得的交易記錄聚请，有很大概率可以追蹤到比特幣的實際轉(zhuǎn)移路線，甚至可以追蹤到真實用戶

總結(jié)

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區(qū)塊鏈學習之比特幣（六）

區(qū)塊鏈學習之比特幣（六）

比特幣項目簡介

原理和設(shè)計

基本交易過程

重要概念

創(chuàng)新設(shè)計

挖礦

基本原理

挖礦過程

如何看待挖礦

共識機制

工作量證明

權(quán)益證明

閃電網(wǎng)絡(luò)

RSMC

HTLC

閃電網(wǎng)絡(luò)的概念

側(cè)鏈

SPV 證明

雙向掛鉤

熱點問題

設(shè)計中的權(quán)衡

分叉

交易延展性

擴容之爭

比特幣的監(jiān)管和追蹤

相關(guān)工具

客戶端

錢包

礦機

總結(jié)