区块链技术和比特币

区块链特点

区块链中的区块，是记录有特定信息的节点，这些节点收尾相连，构成了区块链。

区块链技术有以下特点：

1. 去中心化

   不再需要一个中央处理机构负责区块的记录，接入区块链网络的任何节点，都保存有完整的链，都可以接受和处理请求

2. 数据防篡改

   由于数据全量存储并公开给所有人，必须保证数据是不可更改的

区块链的应用，基本都是围绕上述特点落地，同时也是整个区块链设计中最难的点。

比特币的区块链技术

要实现去中心化和防篡改，比特币采用了两种技术：区块链技术和工作量证明共识机制。

区块链技术blockchain

每个区块保存有特定的信息、本区块ID和上一个区块的ID，其中本区块ID是根据本区块的内容通过hash算法生成的，对内容的改动会导致本区块ID发生变化，导致整个链条断裂，除非修改后面的节点。于是越老的区块，越难修改，可以一定程度上实现数据防篡改。


工作量证明(proof-of-work)共识机制

区块链是分布式的，所有节点都可以参与区块的记录，那么大家都进行记录，以谁为准？那个人的记录可靠么？这个就涉及到分布式一致性的问题，可以参考 分布式系统之一：分布式事务和一致性

既然没有一个权威的机构，那么谁可信只能采取少数服从多数的原则，大多数人认为是对的记录，就认为是对的。

比特币采用的做法是，每个区块都有个唯一hash ID，这个ID的生成会有一个要求，需要通过大量的CPU计算，才能得到满足要求的ID。当一个区块的原始数据发布后，全网开始计算，第一个得到这个ID的，将ID公布给其他人，其他人使用原始数据验证没有问题后，就会记录这个结果，并放弃计算。

由于ID的生成很难，同一时间基本只有1个合法ID被计算出来，如果同时出现多个，比特币就会出现分叉，大家可以任意选择一个分叉进行记录（因为计算ID是很费力的，所以大家只能赌其中一个分叉），最终比较短的分叉，会被废弃（即实现了少数服从多数）。

而且，如果篡改原始数据，使得篡改数据可以得到和原始数据一样的满足要求的hash ID，需要特别久的时间（这时候已经有别的人计算出正确的ID了），所以篡改的可能性几乎不存在。如果执意篡改生成错误的ID，否则产生的ID不被认可，也不会被其他节点接受，除非控制全网50%以上的计算节点，这也是很难实现的。

好了，说了这么多，下面看看比特币区块的设计和PoW里面的hash ID如何要求的。

比特币的设计

下面是比特币的区块格式


其中Version，Previous Block Hash，Merkle Root，Timestamp，Difficulty Target 和Nonce这六个数据字段是区块链的区块数据协议头。后⾯的数据是交易数据，分别是：本块中的交易笔数H和交易列表（最多不能超过1MB，为什么是1MB，后⾯会说）。
区块头中的六个字段的含义。

• Version：当前区块链协议的版本号，4个字节。如果升级了，这个版本号会变。
• Previous Block Hash：前⾯那个区块的hash地址。32个字节。
• Merkle Root：这个字段可以简单理解为是后⾯交易信息的hash值（后⾯具体说明⼀下）。32个字节。
• Timestamp：区块⽣成的时间。这个时间不能早于前⾯11个区块的中位时间，不能晚于"⽹络协调时间"——你所连接的所有结点时间的中位数。4个字节。
• Bits：也就是上图中的Difficulty Tagrget，表明了当前的hash⽣成的难度，4个字节。
• Nonce：⼀个随机值，⽤于找到满⾜某个条件的hash值。4字节。

对这六字段进⾏hash计算，就可以得到本区块的hash值，也就是其ID或是地址。其hash⽅式如下（对区块头做两次SHA-256的hash求值）：

SHA-256(SHA-256 (Block Header))

当然，事情并没有这么简单。⽐特币对这个hash值是有要求的，其要求是那个Bits字段控制的，然后你可以**调整Nonce这个32位整型的值来找到符合条件的hash值。我们把这个事情叫做“挖矿”**。

关于 Merkle Root

前⾯说到过，可以简单地将Merkle Root理解为交易的hash值。这⾥，我们具体说⼀下，⽐特币的Merkle Root是怎么计算出来的。
⾸先，我们知道，⽐特币的每⼀笔交易会有三个字段，⼀个是转出⽅，⼀个是转⼊⽅，还有⼀个是⾦额。那么，我们会对每个交易的这三个字段求hash，然后把交易的hash做两两合并，再求其hash，直到算出最后⼀个hash值，这就是我们的Merkle Root。示意图如下：


为什么要这样设计，而不是直接所有的数据做一次hash呢？有三个好处

1. 可以快速的校验，大量的数据被分成二叉树的结构
2. 提高篡改一笔交易的难度
3. 大量的数据可以分片传输，在P2P的网络上，分片尤为重要

难度系数Difficulty Tagrget

参考Difficulty - Bitcoin Wiki，其决定了我们计算出来的hash值的字符串最前⾯有⼏个零，通过调整nonce和在允许的范围内修改timestamp，得到指定要求的hash作为ID。如果实在算出来没有符合要求的，还可以调整该笔记账包含的交易数量，即MerkleRoot。

这个难度系数，会在每出2016个区块后就调整⼀次。现在这个难度是要在前⾯找到有18个零。难度是根据全网的算力调整的，保证在10分钟左右可以完成一次记账

挖坑的流程如下


比特币的交易模型

比特币中，没有“余额“的概念，比特币区块中的交易数据，也是一个链。

在比特币中，交易分为支出方input和收入方output。一个交易可以有多个output，所以一笔钱可以转给多个人。

由于只存储了交易数据，所以“余额“的概念被UTXO（Unspent Transaction Output）代替，即没有花出去的交易。例如A给C转了2个比特币，B给C转了3个比特币，对C来说，只有两个没有花出去的交易。此时，如果C给D转4个比特币，由于没有一笔交易是4个比特币，所以需要把2和3作为input，把自己和D作为output。


TXO因为没有账户和余额的概念，所以可以并⾏进⾏多笔交易，不需要并行锁。通过设置多个交易目标可以隐藏交易的真实目的。

比特币的交易是匿名的，每个用户创建比特币账户时，会产生一对公钥和私钥，公钥发布到比特币网络中，私钥是用户比特币钱包的唯一凭证。

比特币的每一笔交易，from和to都是账户的公钥，支付方发起交易，创建交易数据并使用自己的私钥加密作为签名，然后发布到网络。网络上其他人，会使用交易发起方的公钥校验交易数据。

交易过程如下：


信息传输的安全和加密，参考 加密、数字签名(摘要)和HTTPS 。比特币的网络上去中心化的，自然不能有证书机构，但是也不怕中间人攻击，任何对交易的篡改，都会导致签名不符，除非替换掉半数以上节点该用户的公钥。

比特币如何控制总数？

新的比特币是通过挖矿产生的，也即成功记录一笔交易后对矿工的奖励。比特币系统每出现2016个区块后，根据全网算力调整难度系数，保证每10分钟产生一个区块；同时，在比特币发行之初，每个区块中生成的比特币数量是50个，并规定每4年，每个区块产生的比特币数量减半。

在Controlled supply - Bitcoin Wiki中详细计算了每个区块的比特币数量，可以算出比特币会经历32次减半，到第33次减半的时候，比特币区块中包含的比特币数量就等于零（比特币的精度问题，实际上不是0，但是在比特币的精度下，就等于0了），根据计算，最终会产生略小于2100万枚比特币，大概在2140年所有比特币会被挖完。

那时候矿工咋办？没有挖矿的产出，大概会降低比特币的产生难度，矿工大量退场，回归小矿工模式，靠交易小费？

智能合约

区块链的不可篡改和去中心化的特点，除了像比特币一样作为货币之外，还有其他很多应用的场景，智能合约就是其中之一。

一个生活中的案例：两个人掰手腕打赌，输了的给赢了的100块钱，但是输了的赖账怎么办？这时候，需要找一个第三人来公正。这时候就牵扯到第三方公正人的可信度了。大额的资金面前，这个公证人通常是银行，小一点的么，在淘宝买卖东西时，支付宝就是充当了交易的公证人的角色。

涉及到银行么，流程就复杂了，既然区块链不能篡改，我们把合同写在区块链上不就好了？

ETH以太坊

对于以太坊来说，智能合约其实就是⼀段可执⾏的程序⽚段，由发布⼈使⽤⼀种类似于JavaScript或是Python的编程语⾔来编写。

我们把合约代码在本地编译成功后发布到区块链上，可以理解为⼀个特殊的交易（包括可执⾏代码），然后会被矿⼯打包记录在某⼀个区块中。当需要调⽤这个智能合约的⽅法时，只需要向这个智能合约的地址发送⼀笔交易即可。

但是，也有几个问题：

1. 真正交易的过程很复杂，不能交易的涉及方，都去中心化放在区块链上吧？
2. 既然是代码，就有bug，还不能修bug

共识算法

前面大概介绍了一下Pow，更多分布式系统一致性的共识算法，可以参考 分布式系统之一：分布式事务和一致性

比特币采用的Pow，而以太坊采用的是PoS。