3. 协议¶

方案探讨与问题分析¶

方案一：公私钥非对称加密¶

采用公私钥非对称加密技术，虽能保障交易的安全性，但在数字货币场景下存在严重问题。数字货币本质上是数字化信息，具有可复制性，这就导致了 “花 2 次攻击（double spending attack）”，即双花攻击。攻击者有可能利用数字货币的可复制特性，将同一笔数字资产进行多次花费，破坏了货币交易的唯一性和价值稳定性。因此，数字货币必须防范双花攻击。

方案二：中心化存储¶

该方案通过设立一个中心化的数据库，记录每个标号的货币归属，即记录每一笔钱在谁手上。从理论层面看，这种方式能够解决双花问题，因为中心化数据库可以统一管理和验证每一笔交易，确保货币的唯一性。然而，在实际应用中，这种方法过于繁琐，需要一个强大的中心机构来维护数据库，且容易引发信任问题，例如中心机构可能存在数据篡改、单点故障等风险。

方案三：去中心化¶

去中心化方案旨在构建一个无需依赖中心化机构的数字货币系统，但面临着两个关键问题：
1. 货币发行问题：在比特币（BTC）系统中，货币发行由挖矿机制决定。挖矿过程不仅仅是简单的计算操作，它还承担着发行新比特币的重要职责。
2. 双花攻击防范问题：比特币通过所有用户共同维护区块链来解决双花问题。区块链是一种分布式账本，每个参与者（节点）都保存了账本的副本，通过共识机制确保所有账本副本的一致性，从而有效防范双花攻击。

比特币交易示例与结构分析¶

例如，在一个简单的比特币交易流程中：
- 铸币交易（creatCoint）：产生初始的比特币，如 creatCoint -> A(10)，这是一个 coinbase tx（创币交易），其中包含了 A 的公钥的哈希。这意味着 A 获得了 10 个比特币，且这笔交易作为比特币的初始来源，开启了后续的流转。
- 后续交易：
- A -> B(5)，A -> C(5)，这两笔交易由 A 发起，并由 A 使用自己的私钥进行签名。签名的目的是证明交易的真实性和 A 的授权，其他节点可以使用 A 的公钥来验证签名的有效性。
- B -> C(2)，B -> D(3)，同样由 B 用私钥签名，表明 B 对这两笔交易的授权。
- C -> E(7)，由 C 签名，展示了比特币在不同用户之间的流转过程。

在比特币交易中，每个交易分为输入和输出两部分：
- 输入部分：需要明确币的来源，即引用之前交易的输出作为本次交易的输入，通过这种方式追溯资金的源头，确保每一笔交易的合法性和连贯性。
- 输出部分：要给出收款方的公钥，指定这笔比特币的接收者。发送方使用接收方的公钥对交易信息进行加密，只有接收方能够使用自己的私钥解密获取交易内容。同时，发送方用自己的私钥进行签名，接收方以及其他节点可以使用发送方的公钥进行验证，确保交易确实由发送方发起且未被篡改。

每个交易的输入输出实际上是一段脚本，公钥也在脚本中指定。比特币脚本通过一种特殊的编程逻辑来验证交易的有效性。例如，A 的输入脚本和前面交易的输出脚本拼接在一起，如果这段拼接后的脚本能够按照比特币脚本的规则正常运行，就说明该交易是正常的。

比特币区块链结构¶

在实际的比特币系统中，每个区块包含了大量的交易，其结构通过 Merkle 树来组织，分为块头（block header）和块身（block body）：

• 块头（block header）：包含关键信息，如 version（版本号，用于标识区块的协议版本）、hash of previous block header（前一个区块头的哈希值，通过哈希指针将区块链中的各个区块连接起来，形成链式结构，保证了数据的顺序性和可追溯性）、merkle root hash（默克尔树的根哈希值，用于快速验证区块内所有交易的完整性）、target（目标哈希值，决定了挖矿的难度，矿工需要找到一个哈希值小于该目标值的区块头，才能获得记账权）、nonce（一个 4 字节的随机数，矿工通过不断调整 nonce 值来尝试找到符合要求的哈希值）。通过计算 H(block header) <= target（其中 H 表示哈希函数），只有满足这个条件的区块头才是有效的。这里的 nBits 是一种表示目标值的紧凑格式，用于在不同节点间统一表示目标难度。值得注意的是，只有块头有指向前一个块头的哈希指针，形成了区块链的基本链式结构。那么，有人可能会问，如果只对块头取哈希，而块身不取哈希，如何保证块身内容不被修改呢？实际上，块身中的所有交易通过 Merkle 树结构组织，块头中的 Merkle 根哈希值是根据块身中所有交易计算得出的。如果块身内容发生任何改变，重新计算得到的 Merkle 根哈希值必然会改变，从而导致块头的哈希值改变，使得该区块不再满足 H(block header) <= target 的条件，因此 Merkle 根哈希能够保证块身内容的完整性和不被篡改。
• 块身（block body）：主要包含交易列表，即该区块所打包的所有比特币交易。

比特币网络中的节点分为两种类型：
- 全节点（full node）：也称为完全验证节点，它保存了完整的区块链数据，包括所有的区块头和区块体，能够独立验证每一笔交易的合法性，参与区块链的构造和维护，对整个区块链网络的安全和稳定起着关键作用。
- 轻节点（light node）：无法独立验证交易的合法性，因为它没有存储完整的区块链数据，没有参与区块链的实际构造过程。轻节点主要利用查询功能，通过向全节点请求相关信息来验证交易，例如在简单支付验证（SPV）过程中，轻节点通过向全节点获取部分哈希值等信息，结合本地计算来验证交易是否被记录在区块链上。

交易写入区块链与共识机制¶

交易如何写入区块链¶

区块链本质上是一个去中心化的账本，要将交易写入区块链，就需要在分布式网络中的众多节点间达成共识，即对账本内容的一致性认可。这里涉及到分布式共识（distributed consensus）的概念，类似于分布式哈希表（distributed hash table）的全局哈希表结构，其中每个节点都保存了一份 “key - value pair” 形式的账本副本。然而，在分布式系统中达成共识并非易事，存在一些不可能结论：
1. FLP 定理：在一个异步（asynchronous）系统里，网络传输时延没有上限，哪怕只有一个用户是故障（faulty）的，也没有办法达成共识。这就好比著名的拜占庭将军问题，在分布式系统中，各个节点就像拜占庭军队中的将军，他们需要在进攻或撤退等决策上达成一致，但由于存在故障节点或恶意节点的干扰，使得达成共识变得极为困难。
2. CAP 定理：在分布式系统中，一致性（consistence）、可用性（availability）和容错性（partition tolerance）这三个性质不可能同时满足。在实际应用中，往往需要根据具体场景对这三个特性进行权衡。

在比特币系统中，为了在大多数节点是好的，少部分是坏的情况下达成共识，采用了以下方法：

比特币的共识机制¶

1. 投票方式的思考与问题：
   • 基于账号数量投票：最初设想通过账号数量来投票决定账本内容的共识。但这种方式存在严重的效率问题，恶意攻击者可能会进行 “行政不作为”，即不断发起攻击并投票，导致正常节点没有时间进行挖矿等有效操作。此外，在比特币系统中创建账号非常容易，这就引发了女巫攻击（sybil attack），攻击者可以创建大量虚假账号来控制投票结果，破坏共识机制。
   • 基于算力投票：比特币采用了基于算力的投票方式来解决上述问题。在挖矿过程中，矿工需要找到一个合适的 nonce，使得 H(block header) <= target。这个过程需要大量的计算资源，即算力。只有找到符合要求的 nonce 的节点才有权力发布下一个区块，这个权力被称为记账权，即在区块链这个去中心化的账本里写入下一个区块的权利。其他节点收到这个新区块后，会验证该区块的合法性，例如检查 block header 的内容，包括 nBits 是否正确，确保其符合比特币网络设定的规则和难度要求。
2. 区块的接受与分叉问题：
   • 区块插入位置与合法性：新产生的区块必须插在最长合法链上。如果将区块插在中间，不在最长合法链上，就会出现问题。因为节点对区块合法性的判断主要依据前面交易的情况，如果在该区块之后仍有交易，可能会导致双重支付问题，即分叉攻击（forking attack），攻击者试图回滚某个已经发生的交易，从而实现双花。因此，只有拓展最长合法链的区块才会被大多数节点接受。
   • 同时发布合法区块的处理：当两个节点同时发布合法区块时，比特币网络会看谁能够抢先找到下一个区块。先挖出下一个合法区块且被网络认可的节点，不仅能获得该区块的记账权，还会得到比特币奖励。这就激励了矿工不断提高算力，以争取获得记账权和奖励。
3. 竞争记账权的原因 - 出块奖励：
   竞争记账权的主要动力是出块奖励（block reward）。挖出新区块的节点在 block body 中会有一个特殊的交易，即铸币交易（coinbase transaction），这是发行新比特币的唯一方法。在比特币系统的初始阶段，每一个区块的出块奖励为 50 BTC，随着时间推移和区块数量的增加，奖励会逐渐减半，如经过 21 万个区块后，奖励变为 25 BTC，目前大约为 12.5 BTC。中本聪在比特币创世区块中首次引入了这种奖励机制，据说比特币第一次与现实世界产生价值交换时，是用 2 万个比特币购买了一个披萨，这标志着比特币从虚拟概念走向了实际应用。需要注意的是，在分叉点上得到的比特币是没有用的，因为只有在最长合法链上的比特币才被整个网络认可和接受。

通过上述基于算力的共识机制，比特币实现了去中心化账本内容的一致性，使得挖矿（mining）这一过程类似于寻找数字黄金，矿工们通过争夺记账权，不断为区块链网络添加新的区块，维护着比特币系统的稳定运行，同时也使得女巫攻击在这种机制下无法对系统造成实质性破坏。

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