区块链笔记4--BTC实现

1 UTXO ：

区块链是一个去中心化的账本，比特币采用了 基于交易的账本模式 。然而，系统中并无显示记录账户包含BTC数，实际上其需要通过交易记录进行推算。在比特币系统中，全节点需要维护一个名为 UTXO(UnspentTransaction Output尚未被花掉的交易输出) 数据结构。

如图：A转给B五个BTC，转给C3个BTC，B将5个BTC花掉，则该交易记录不保存在UTXO中，C没有花掉，则该交易记录保存在UTXO中

UTXO集合中每个元素要给出产生这个输出的交易的哈希值，以及其在交易中是第几个输出。通过这两个信息，便可以定位到UTXO中的输出。

1.1为什么要维护这样一个数据集合？

原因：为了防止“双花攻击”，判断一个交易是否合法，要查一下该交易所需的BTC是否在该集合中，只有在集合中才是合法的。如果想要花掉的BTC不在UTXO中，说明这个BTC要么根本不存在，要么已经被花过。所以，全节点需要再内存中维护这样一个UTXO集合，从而快速检测是否有double spending（双花攻击）

每个交易会 消耗输出，也会 产生新的输出。如图，A转给B5个BTC，之后B将其转给D，则UTXO中会删掉A->B这一交易记录，同时会添加B->D这一交易记录。

假如有人收到BTC转账，但一直不花，那么这个信息会一直保存在UTXO中。这种情况可能是该用户不想花这些BTC(如：中本聪) ，也有可能是忘记了私钥导致无法花掉。所以，UTXO是逐渐增大的，但该数据目前来说，一个普通的服务器硬盘中是可以完全保存这些数据的。每个交易可以有多个输入，也可以有多个输出，但输入之和要等于输出之和（total inputs = total outputs）。 存在一些交易的total inputs 略大于 total outputs，这部分差额便作为交易费，给了获得记账权的节点。

1.2如果仅仅设置出块奖励，那么，会不会存在节点只想发布区块获得出块奖励而不想打包交易？

解答：BTC系统设计了Tranction fee（交易费），对于获得记账权节点来说，除了出块奖励之外，

还可以得到打包的交易费。但目前来说，交易费远远小于出块奖励。等到未来出块奖励变少，可能区块链的维护便主要依赖于交易费了。

平均每隔十分钟产生一个新区块，每21万个区块，出块奖励减半，大约每隔四年半出块奖励就会减半

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2 BTC区块的具体信息：

Block header

看到，nonce是一个32位的无符号整型数据，在挖矿时候是通过不断调整nonce进行的，但可以看到，nonce的取值最多为2^32 种。但并非将这些nonce全部遍历一遍，就一定能找到符合要求的nonce。由于近年来，挖矿人员越来越多，挖矿难度已经调整的比较大了（关于难度调整请关注后续博文，会有专门一篇介绍难度调整），而 2^32这一搜索空间太小，所以仅调整nonce很大可能找不到正确的结果。

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3 铸币交易（coinbase）:

每个发布区块者可以得到出块奖励，也就是可以在区块中发布一个 铸币交易(coinbase交易),这也是BTC系统中产生新比特币的唯一方式。下为一个铸币交易的内容：

可以看到有一个coinbase域，其中可以写入任何内容，在这里写什么都没有影响。所以可以在这里添加一些信息，便可以实现无法篡改（也无法删除）

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4挖矿过程的概率分析：

挖矿本质上是不断尝试各种nonce，来求解这样一个puzzle。每次尝试nonce，可以视为一次伯努利试验。最典型的伯努利试验就是投掷硬币，正面和反面朝上概率为p和1-p。在挖矿过程中，一次伯努利试验，成功的概率极小，失败的概率极大。挖矿便是多次进行伯努利试验，且每次随机。这些伯努利试验便构成了a sequence of independentBernoulli trials(一系列独立的伯努利试验)。根据概率论相关知识知道，伯努利试验本身具有无记忆性。也就是说，无论之前做多少大量试验，对后续继续试验没有任何影响。 对于挖矿来说，便是多次伯努利试验尝试nonce，最终找到一个符合要求的nonce。在这种情况下，可以采用泊松分布进行近似，由此通过概率论可以推断出，系统出块时间服从指数分布。(需要注意的是，出块时间指的是整个系统出块时间，并非挖矿的个人)

系统平均出块时间为10min，该时间为系统本身设计，通过难度调整维护其平均出块时间。 指数分布本身也具有无记忆性。也就是说，对整个系统而言，已经过去10min，仍然没有人挖到区块，那么平均仍然还需要等10min（很不符合人的直觉）。也就是说，将来要挖多久和已经挖多久无关。

虽然这样看起来是一个冷酷的事情，过去的工作可能都会白做。但实际上这才是挖矿公平性的保障。对算力有优势的矿工来说，其之前所做大量工作仍有可能会白费。

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5 BTC系统安全性分析：

5.1 可否偷币？

答案：不能。因为转账交易需要签名，恶意节点无法伪造他人签名。加入其获得记账权并硬往区块中写入该交易，大多数用户会认为其是一个非法区块，大多数算力将不认可该区块，从而沿着其他路径挖矿，随着时间推移，拥有大多数算力的 诚实的节点将会仍然沿着原来区块挖矿，从而形成一条“最长合法链”，该区块变成孤儿区块。对于攻击者来说，不仅不能偷到其他人的比特币，而且得不到出块奖励，还浪费了挖矿花费的电费等成本。

5.2可否将已经话过的币再花一遍？

如下图1，若M已经将BTC转给B，现在想再转给自己，假设其获得记账权，若按照图1方式，很明显为一个非法区块，不会被其他节点承认。 所以，M只能选择图2方式，将M转账给B的记录回滚掉。这样就有了两条等长合法链，取决于哪一个会胜出。（如果上面交易产生不可逆的外部效果，下面交易回滚便又拿回钱，从而不当获益）

需要注意的是，再挖矿之初便要选择上一个区块是谁。也就是说，并不是获得记账权之后才选择插入到哪一个区块之后。

5.3 可否故意不包含合法交易？

可以，但是可以等待后续区块包含，所以问题不大。实际运行中，可能由于某段时间实际交易数太多，而一个区块包含交易数存在最大值，导致某些合法交易并未被写入区块链（等待后续区块写入）。

5.4 可否挖到矿但不发布？

selfifish mining 提前挖到但不发布，继续挖下去，等到想要攻击的交易等了6次确认认为安全之后将整条链发布出去，试图回滚原来记录。这种情况，需要恶意节点掌握系统中半数以上算力才行，否则无法成为最长合法链。