区块链学习-比特币

• 区块链综述
  区块链本质上是一种分布式的数据库，这个数据库的基本单位就是区块。
  这个数据库被网络中的所有节点一起维护，所有的节点都是公平的，任何人都有资格查看所有的交易信息。任何人如果想更改数据，必须拥有大于全网50%的算力，确保它生成区块的速度超过其他所有节点之和。所以，只要拥有足够的用户和正常的矿工，那么这个区块链就不可能出现异常交易。

• 高度
  区块链是一条由一个个区块组成的链，每个区块都存有上一个区块的hash值，所以也可以理解成一条有序的链。而高度就是指一个区块到最新区块的距离。

• 挖矿
  区块链中比较重要的一个环节就是挖矿，所谓挖矿，其实就是生成区块的过程。矿工的任务是收集网络上未处理的交易信息，然后将这些信息生成一个区块，最先生成合法区块的矿工视为挖矿成功，获得挖矿奖励和这个区块的手续费。矿工的奖励是整个区块链唯一产出比特币的地方，但是这个奖励会逐年递减，最终2140年之后不再产生新的比特币，总量维持在2100W枚。

• 工作量证明
  任何人都可以成为矿工，但是为了维护秩序，必须加大挖矿的门槛，防止有人恶意生成区块。比特币就采用了一种工作量证明机制。

  
  
  

  区块头结构.png

比特币的工作量证明机制其实很简单，就是通过不断替换区块头中nonce字段的值，使得最后整个区块的hash值小于一个数值，这个数值就是难度，为了防止出现因为nonce字段长度过低导致无法生成区块的情况，时间戳字段和区块中第一笔交易信息都可以更改 。
产生一个合法的区块头需要进行大量的计算，但是验证一个合法的区块只需要一次计算，因此虽然大部分节点不参与挖矿，但是可以快速的验证合法区块，达成共识，然后把合法的区块广播出去，通知其他正在挖矿的节点本轮结束，快速开始下一轮挖矿。
为了稳定区块的生成速度在10分钟每块，比特币的难度每过2016块改变一次。

• 分叉
  因为比特币是一个分布式的网络，同时可能有多个矿工在挖矿，如果两个矿工几乎同时都完成了一个区块的生成，也就是说这两个矿工在对方挖矿成功的消息到达自己这里之前，把自己挖矿成功的消息广播了出去。这个时候，有些节点会收到了两条挖矿成功的消息，实际上这个区块链也就被分成了两个分支。在这两个分支长度相同的时候，这两个分支暂时都是合法的，矿工可以在任何一个分支上继续挖矿，直到一条分支的长度长于另一条，所有节点都会选择较长的那个分支作为主分支。
  所以，一笔交易被确认之后，并不意味着这笔交易一定生效，很可能这笔交易被放在了分叉的分支上，最终被淘汰了，因此比特币建议当确认数大于6的时候，再处理交易成功之后的操作。

• 默克尔树
  默克尔树算法允许轻节点的出现，即节点只维护区块链的头信息，在确认的时候，再下载需要的信息即可，无需维护所有的交易信息，保证了客户端的轻巧和方便。
  默克尔树算法中，这棵树可以是一个多叉树，但是在区块链应用中，维护的是一棵二叉树。

  
  
  

  spv1.png

这个二叉树的每个叶子节点是具体的值，每个非叶子节点，是根据它的子节点的值通过某种hash算法得到的，这样一层一层的直到根节点。
在区块链头信息里，就包含了这样的一个根节点的值，这样只要下面的交易信息稍有改动，算出来的根节点的值就会改变，这时候校验一下就可以确认数据的正确性。
更重要的是校验的时候，只需要拿到这棵树的一部分信息，就可以确认一笔交易的正确性。拿到一个叶子节点和另一个兄弟叶子节点的值，计算得到他们父节点的值，然后再拿到父节点的兄弟节点的值，继续向上计算，如果最终的结果是正确的，那么也就确认了这笔交易是合法的。

spv2.png

• utxo
  utxo可以说是区块链交易的最基本单位了。和常规的交易不同，比特币中并没有账户这个概念，而是由很多个未花费的交易输出即utxo组成。这个未花费的交易输出是指，之前有交易的交易输出是这个地址，且这个交易还没有被其他交易使用过。
  也就是说，在我们生成交易信息的时候，存储的并不是从一个账户到另一个账户，而是一笔或者多笔之前的交易输出，到一个或多个地址。如果一笔交易中，所有交易输入的和大于交易输出的和，那么多余的比特币就会当做手续费转给矿工。
  比如，如果我有一笔utxo是10个比特币，我想转5个给addr1，那么我就要生成一个交易信息，输入是我那笔utxo，而输出是两个，一个是给addr1的5比特币，另一个是给自己的找零。
  经过很多的交易之后，会生成很多零散的utxo，这时候，一笔交易很可能会有很多的输入。因此，想要完成交易，必须要记录下自己所有的utxo，而不仅仅是自己的地址。
  节点在验证交易的过程中，需要维护一个utxo的列表，从而验证每笔utxo是否是有效的输入，防止重复支付。
  使用utxo还有一个优点就是保护隐私。之前提到过，区块链是一个开发的数据库，因此如果使用账户交易，那么很容易就可以分析出一个人的交易习惯。但是如果使用utxo就可以避免这个问题，我们可以提前生成好很多的地址，在找零的时候，随机转入一个新的地址，这样账户之间的依赖关系几乎不存在，如果想查找分析某个用户的用户习惯，几乎是不可能的。代价就是需要更多的空间来维护utxo。

总结

综上就是我对比特币的初步研究，比特币是区块链货币的先行者，其中有很多创新的地方，utxo的概念、基于工作量证明的共识等等，不过它也有它的缺点，比如确认时间间隔过长、每个区块存储信息过少等等，都是限制它发展的因素。现在很多数字货币，都在比特币的基础上进行了所谓的改进，不管之后数字货币何去何从，比特币的地位是不可动摇的。