区块链学习笔记3——比特币中的协议

三、协议

数字货币的发行

在比特币系统中，数字货币的发行是由挖矿决定的

怎么验证交易的有效性，怎么防止double spending attack

1. 用到区块链的数据结构

比如说一个用户A获得了发行数字货币的权利，管这种权利叫做铸币权，假如A发行了10个比特币，A拿到这个钱，把它转给B,C各5个比特币，需要A的签名，同时还需说明花掉的10个比特币从何而来，是从前面的铸币交易来的【铸币交易（coinbase tx）：能够凭空发行货币】。

比特币系统中，每个交易都包含了输入和输出，输入部分说明币的来源，输出部分要给出收款人公钥的哈希，比如说A转给B钱，就要说明B的公钥的哈希是什么，B又把钱转给C和D,C2个比特币，D3个比特币，也要说明B的钱的来源，这时C就有7个比特币，假如C把钱给E,E给7个比特币，这时候，C的来源有两部分

第一种哈希指针，用来把区块串起来构成一个链表。

第二种哈希指针，指向前面某个交易的，是为了说明币的来源，证明这个钱不是凭空捏造的，是有纪录的，同时也是为了防范double spending attack

仔细看一下A把钱转给B的交易，首先需要A的签名，同时还需要B的地址，

在比特币系统中，收款方的地址是通过公钥推算出来的，比如说B的地址，就是经过B的公钥取哈希，再经过一系列转换就得到B的地址，这个地址相当于银行账号，比如说某个电商网站接收比特币支付，可以在网站上公开他的地址，很多地址就是个二维码，扫一下就知道，另外B需要知道A的公钥，假如B收到一笔转账，但是不知道这钱是哪儿来的，A的公钥就是A的身份，B需要知道A的公钥，知道这钱是从哪儿来的，不光是B需要知道A的公钥，所有节点都需要知道A的公钥，为了验证A的签名，这个转账交易要是合法的，得是有A的签名，签名：私钥签名，公钥验证，区块链上每个节点都要独立验证，因为有的节点有可能是有恶意的，不能依靠别人，我得验证这个交易是不是合法的，这个钱不是转给我的，我是个旁观者，但是我也得验证，所以大家都需要知道A的公钥，那问题就来了，怎么才能知道A的公钥？接下行

A的公钥是这个交易中自己给出来的，就A给B转账这个交易，输入要说明币的来源，还要说明A的公钥是什么，这里面就有一个安全隐患，假如有人要冒名顶替呢，比如说B的同伙B1，他呢，伪造一个A到B的交易，他用他自己的公钥说是A的公钥，然后用它自己的私钥签个名，那别的节点收到之后，用假造的公钥去验证，那肯定是对的，就以为是合法的，那这样就麻烦了，这不就等于把A账上的钱偷走了,铸币交易的输出里面有A的公钥的哈希，所以A转给B的这个交易说明的A的公钥要跟币的来源里说明的A的公钥要对的上，前面讲到的B的同伙B1他伪造的公钥跟币的来源里说明的A的公钥对不上，就验证不通过

区块里由两部分，block header和block body

block header里存的是宏观信息

version：用的是比特币中哪个版本的协议

hash of previous block header：指向前一个区块的块头的指针

Merkle root hash：整颗Merkle tree的根哈希值

target：挖矿的难度目标域值，H(block header)<=target，块头存的是目标域值的编码nBits

nonce：随机数

block body:

transaction list

distributed cnsensus（分布式共识）

一个简单的例子：

distributed hash table(分布式哈希表)

系统里有很多台机器，共同维护全局的哈希表，这里需要取得共识的内容是什么？

答：哈希表中包含哪些key-value pairs，比如有的人在我这台机器插入了一个key-value pairs，拿别人在另一台机器上读的时候也要能够读出来，这叫全局的哈希表。

impossibility result

FLP impossibility result

FLP是三个作者的姓的开头的字母

在一个异步的系统里（asynchronous），网络中，时延没有上限就叫做异步系统，即使只有一个成员有问题（faulty），也不能取得共识

CAP Theorem

CAP：分布式系统的三个性质，Consistency，Availability，Partition tolerance。

任何一个分布式系统，比如说分布式哈希表，这三个性质当中最多只能满足两个。

Paxos协议

能保证一致性Consistency，但是某些情况下，有可能一直没有办法达成共识，可能性比较小，但是客观存在

比特币中的共识协议（Consensus in BitCoin）

解决问题：有些节点可能是有恶意的，假设系统中大多数的节点都是好的，有恶意的毕竟占少部分，那这种情况下，怎么去设计一个公式协议呢？

一种想法：投票，比如说某一个节点提出一个候选区块，根据这个收到的交易信息，选出合法的交易，按照某个顺序打包到一个区块里，候选区块发布到所有节点，每个节点收到这个区块之后检查一下交易是否合法，如何合法，投赞成票，如果其中有一个 是不合法的，投反对票，最后算一下，如果投票超过半数都是赞成的，这个区块就正式接受了，写道区块链里。

这里有个大问题：membership，任何基于投票的方案，首先要决定谁有投票权，如果这个区块链是有严格定义的，比如说这个不是谁都可以加入的，像我们有的叫联盟链（hyperledger）,只有某些符合条件的大公司才能加入，fabric(联盟链协议)，这种情况下，基于投票方案是可行的，因为我们假设大多数成员是好的，那么我们投一下票是可以的。

但是比特币系统中不是这样的，比特币e系统种，创建一个账户是很容易的，就在本地产生一个公私钥对儿就行，其实别人都不知道你产生了一个账户，你转账的时候别人会知道，只有跟外部发生一些交易的时候，别人才会知道，有恶意的节点都搞一台超级计算机，就只不停的产生账户，然后产生的账户超过总数的一半，就有控制权了，操纵投票结果，这种叫做sybil attack(女巫攻击)，那怎么办呢？

投票不行，或者说简单的直接投票是不行的，比特币系统当中，用了一个非常简单的方式来解决这个问题，也是投票，但不是按照数目投票，而是按照计算力投票，每个节点都可以在本地组装出一个候选区块，把他认为合法的交易放到这个区块里，然后开始尝试各种nonce值，之前讲的H(block header)<=target，这个block header里面有一个域，是个随机数nonce,组装好区块之后，就开始试各种各样的随机数，4bytes，看哪一个能够满足不等式的要求，如果某个节点找到了nonce,就获得了记账权，记账权就是往比特币账本里写入下一个区块的权利，只有找到nonce,获得记账权的节点，才有权利发布下一个区块，其他节点收到这个区块之后，就验证合法性，比如先验证block header内容对不对，里面有一个域

nBits，实际上是目标域值得编码，检查nBits设置得是不是符合比特币协议中规定的难度要求，然后查一下nonce，是不是整个block header得哈希小于等于目标域值，比如说你发布一个区块，你是不是有权利发布，是不是真的获得了记账权，还要验证block body里面的交易列表都是合法的，一要有合法的签名，二以前没有被花过，如果任何一个不符合要求，那这个是不会被接收的，要放弃掉。

假如一个区块block header和block body都符合要求，必须接在最长的链的后面才是合法的区块，如果插在中间，就造成了forking attack(分叉攻击)，通过往区块链中间插入一个区块来回滚已经发生的交易。

区块链在正常的情况下，也可能发生分叉，如果有两个节点同时获得记账权，那该接收哪一个呢？

比特币协议中，缺省情况下，每个节点是接收他最早收到的那一个，所以不同节点根据在网络中的位置不同，有些节点可能先听到上一个区块，会接收这个区块；有些节点先听到下一个区块，会接收这个区块。

那什么叫做接收一个区块？

比特币协议中，如果沿着这个区块继续往下扩展，就算是认可你发布的区块。

block reward（出块奖励）

比特币协议中规定，获得记账权的节点，在发布那个区块里，可以有一个特殊的交易，就是铸币交易，在这个交易里，可以发布一定数量的比特币

coinbase transaction是比特币系统中发行新的货币的唯一方法，其他的交易都是把已有的货币从一个账户转移到另外一个账户

那能造多少比特币呢。

一开始，每个账户可以造50BTC,BTC是比特币的符号

但是比特币协议中规定，21万个区块后，能造的比特币，出块奖励就要减半，就变成了25BTC,再过21个区块，又要减半，只能产生12.5BTC。

如果分叉上面最长的区块变成了主链，最长区块链，那下面的短的区块链里产生的出块奖励就没有了。

总结：

分布式哈希表取得的共识是哈希表的内容，包含哪些key-value pairs

比特币系统中取得的共识是去中心化账本里面的内容

那么谁能决定这个账本里的内容呢，只有获得记账权的节点才能往里面写东西。

那怎么获得记账权呢，就是解这个H(block header)<=target。

那为什么说比特币中的共识机制是靠算力投票，因为puzzle friendly这个性质，这个性质保证了求解H(block header)<=target的过程没有捷径，只能一个一个nonce去试，所以如果某一个节点的算力是另一个节点的十倍，那么获得记账权的概率也是那个节点的十倍，这就是比特币系统中的特殊性，他不是一人一票，也不是一台一票，而是看你每秒钟能够试多少个nonce的数目，这个管他叫做hash rate，如果hash rate越高，得到记账权，获得出块奖励的概率也越大

那么靠算力投票是怎么防范女巫攻击的问题，因为投票是靠算力投的，创建多少个账户其实是没有影响的，可以在服务器上创建一个账户，100个账户，10000个账户，并不会使你的hash rate怎么样，并不会使你每秒钟能够尝试的nonce数目怎么样。

争夺记账权的过程叫做挖矿mining,这个是比较形象的说法，是个比喻。有人把比特币叫做数字黄金，digital gold。争夺记账权的节点称作矿工miner,如果获得记账权，就说挖到矿了，或者说是挖到区块了。