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【北大肖震-区块链技术与应用笔记】第四课-BTC系统的实现

imtoken官网下载1.0 2023-03-06 06:36:09

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区块链是去中心化的账本，BTC采用基于交易的账本模型，只记录转账交易和铸币交易，不直接记录每个账户有多少钱。如果你想知道一个BTC账户里有多少钱，你需要通过交易记录来计算。

除了像BTC系统这样的基于交易的账本模型（transaction-based ledger）之外，还有一些系统是基于账户模型（account-based ledger）的，比如后面要学习的以太坊。在这种模式下，系统必须明确记录每个账户中有多少币。

这种模式的BTC系统隐私保护较好，但会带来一定的成本。例如，转账交易必须注明货币的来源（该货币来自上一笔交易的输出）btc区块交易查询，以防止双花攻击。

1. UTXO

BTC中的全节点需要维护一个叫做UTXO（Unspent Transaction Output）的数据结构，UTXO是尚未花费的交易的输出。一个交易可能有多个输出，那些被花费的输出不在 UTXO 中。

UTXO 集合中的每个元素都应给出生成该输出的交易的哈希值，以及它在该交易中的输出。有了这两条信息，就可以定位到某笔交易中的某个输出。

使用 UTXO 可用于快速检测双花攻击。如果想知道一笔新发布的交易是否合法，需要查看全节点内存中存储的UTXO。要花掉的币只有在这个 UTXO 集合中才是合法的，否则要么不存在btc区块交易查询，要么已经花掉了。

随着交易的发布，每笔交易都会消耗一些输出并生成一些新的输出。例如，在上面的示例中，B 给 D 5 BTC，它消耗了之前 A 给 B 5 BTC 的输出，但是产生了 B 给 D 5 BTC 的新输出，这个输出将存储在 UTXO 中。

不花就留在UTXO里

所有投入量=所有产出量总投入=总产出 total\inputs=total\outputs total inputs=total outputs

2.交易费用

某些交易的总输入可能略大于总输出。例如，总产出可能是1 BTC，总产出可能是0.99 BTC。差额将作为记账费给予获得记账权的节点。

这是因为它不足以产生区块奖励，给予交易费可以成为其他人记账的动力

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这里0.01BTC的手续费已经很高了，一些简单的交易是免费的

目前的激励机制主要是区块奖励

3. 区块示例

区块的区块头结构如下：

class CBlockHeader
{
public:
	//header
	int32_t nVersion;//BTC版本号，没法改
    uint256 hashPrevBlock;//前一个区块块头哈希值（32字节）：不能改
    uint256 hashMerkleRoot;//通过修改Merkle Tree中铸币交易的CoinBase域来调整其根哈希值
    uint32_t nTime;//区块产生时间，有一定的调整余地，BTC系统并不要求非常精确的时间，这个域可以在一定范围内调整
    uint32_t nBits;//挖矿目标阈值编码后的版本，只能按照协议中的要求定期进行调整，不能随便改

    uint32_t nNonce;
}

块中的nonce是一个4字节或32位的整数，只有2322^{32}232个值。因为BTC这几年太火了，挖的人多，所以挖矿难度调的很高。很可能无法简单地通过调整nonce（搜索空间不够大）得到满足难度要求的解。

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铸币交易没有交易来源，可以在CoinBase域中随意写入内容。铸币交易的变化会改变交易的哈希值，变化会沿着Merkle Tree一路向上传递，最终使整个Merkle Tree的根哈希发生变化，间接调整区块头的哈希值。因此，这个字段可以看作是一个额外的nonce。如果block header的nonce域不够用，我们可以调整这个域的一些bytes一起来增加搜索空间。比如把这个字段的前8个字节作为extra nonce，那么搜索空间会一下子增加到2962^{96}296

在这里插入图片描述

在实际挖矿中，一般会为此设计一个两层循环。外层循环调整铸币交易CoinBase域的extra nonce，然后计算出Merkle Tree的根哈希值；内层循环调整区块头的nonce，计算出整个区块头的nonce。散列值

四、交易示例

BTC系统中交易的输入输出都是由脚本指定的。验证交易的输入和输出的过程是成对执行输入脚本和输出脚本（不是将同一交易的输入和输出脚本配对，而是将交易的输入和输出脚本配对）输入脚本被执行与提供硬币来源的交易的输出脚本配对）。只要配对后能成功执行，则交易验证通过。

5.概率分析

挖矿的过程就是不断尝试nonce来解谜。每次尝试都可以看作是一次伯努利试验（Bernoulli trial: a random experiment with binary outcome）。抛硬币是最简单的伯努利实验。要么抬头，要么抬头。这两个概率不必相同。对于挖矿来说，成功和失败的概率相差很大，成功的概率很小。

当进行大量的伯努利试验时，这些伯努利试验就构成了一个伯努利过程（Bernoulli process: a sequence of independent Bernoulli trails）。伯努利过程的一个性质是无记忆（memoryless），即做大量的实验，前面的实验结果对后面的没有影响，比如多次抛硬币的概率是反面朝上，下次抛硬币时正面朝上也不会增加。

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当伯努利分布（即二项分布）的n很大而p很小（试验次数多，每次试验成功的概率小）时，可以近似为泊松分布。这里的挖矿是一个伯努利过程，n大，p小，所以可以近似为泊松过程。

6. 公平保障——无进展

出块时间服从指数分布，整个系统的出块时间根据BTC协议调整为10分钟左右

出块时间服从的指数分布也是无记忆的，也就是说，如果从任意位置截去，剩下的部分仍然服从指数分布。 “未来开采了多少时间”与“过去开采了多少时间”没有任何关系。不管挖了多久，系统平均出块时间仍然在10分钟左右。

无进展 - 过去完成的工作量不会改变后续成功的可能性。这个属性是必要的。假设一个加密货币系统不满足progress free，即过去做的工作越多，未来成功的概率就越大，那么算力强的矿工就会有不成比例的优势，这无法按比例计算到计算能力优势的比例。

7. BTC 总量分析

区块奖励是系统产生新BTC的唯一途径，区块奖励每210,000个区块（约每4年）减半，因此新产生的BTC总量形成一个几何序列（geometric series）。

KaTeX parse error: No such environment: align at position 8: \begin{̲a̲l̲i̲g̲n̲}̲ 21\times(50+25...

解决BTC挖矿难题，除了比较算力外，没有实际意义。虽然挖矿过程没有实际意义，但对维护BTC系统的安全至关重要。比特币是挖矿的安全。挖矿提供了一种有效的算力投票方式。

八、安全分析

大部分计算能力掌握在诚实节点手中。只能说下一个区块由诚实矿工出块的概率比较大，但不能保证记账权不会落入恶意节点手中。 .

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将比特币转给他人

假设恶意节点M获得了记账权，想要转账节点A的钱，但是由于无法伪造A的签名（没有A的私钥），写任何错误的签名，都会导致诚实节点不接受这个候选块，而是继续沿着前一个块扩展。因为这个块是非法的，不管它有多长，都不是最长的合法链，这样的攻击是无效的

交易是否成功取决于诚实节点是否接受

分叉攻击

M 将 BTC 转给 A，然后挖矿后立即挖出一个区块。在这里，他填写了M给自己转BTC的交易，希望成为这个区块沿线最长的合法链，这样才能转账。为A挤出，回滚消耗的BTC。这也是一种双花攻击。

假设A是一个允许BTC支付的购物网站。交易M->A写入区块链后，A认为M支付成功。花攻击。

如果这个M->A块后面还有一些其他的块，那么这次攻击的难度就会大大增加，因为它最好的方式还是在M->A的前一个块位置插入，但是要让它最长合法链很难，因为它不再是最长的合法链，诚实的节点只会扩展最长的合法链。

如果大部分节点都在诚实节点手中，那么攻击就非常困难，而恶意节点必须连续多次获得记账权，才能改变最长的合法链。所以最简单的预防方法之一就是多等几个区块，也叫多等几个确认。

默认是等待 6 次确认（约 1 小时）后，才认为一次确认区块中的交易是防篡改的。

零确认：当交易刚刚发布，还没有写入区块链时，认为交易没有被篡改

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零确认实际上被广泛使用有两个原因：

1️⃣ 如果两个交易之间有冲突，节点接收最先听到的交易。在上面的分叉攻击的例子中，M->A 之后的 M->M' 大部分被诚实节点拒绝。

2️⃣ 购物网站委托全节点监控区块链。从付款成功到发货实际上有一个比较长的处理时间。如果发现交易最后没有写入最长合法链，购物网站可以选择取消发货。

自私挖矿

一般情况下，节点会在挖到一个区块后立即发布。这是为了获得区块奖励并收取交易费用。自私挖矿就是保留所有挖出的区块。其动机是，比如在之前的分叉攻击中，等到6次确认通过，然后一口气释放计算出的长分叉，替换掉最长的合法链。

其实做起来还是很困难的，因为这个恶意节点的算力必须要超过诚实的算力，才可能在一定时间后比它长。另外，大多数诚实节点已经扩展了M->A交易所在的区块，这个恶意节点肯定有很多同谋节点。

还有一个好处就是减少了竞争者：比如下图，大家都在从A挖一个区块，然后一个节点挖出B，先把它藏起来。这个时候其他人还在从A挖出一个区块，然后这个节点再挖出C，把B和C一起放出来，这样就少了一个对C节点的竞争。还是继续往下挖。听到有人放D，就把B和C一起放，这样最长的合法链就是沿着ABC，别人挖出来的D就失效了。