隔离验证是如何改善比特币性能表现的

如果说2015年在香港举行的“比特币扩容研讨会”上最令人兴奋的提议，那毋庸置疑是开发者Pieter Wuille博士提出的隔离验证（Segregated Witness）。这个提议受到技术界人士的好评，隔离验证有望能改善比特币的性能表现，而有些人甚至希望它能提供一种扩容的解决方案，帮助比特币社区恢复一定的和谐。

什么是比特币交易？

为了更好理解隔离验证，最好先了解技术层面上的比特币交易。（如果你对这方面并不陌生，可以直接跳到本文的最后一部分。）

对于初学者而言，要认识到很重要的一点，比特币协议的核心是交易。实际上，点对点网络上的节点并不会相互发送比特币，而是互相发送包含交易数据的包（packages）。

在某种程度上，比特币交易实际上是一套一套的“锁”。更具体点说，每笔交易包含两个主要组成部分。其中一半能有效解锁之前交易中锁定的比特币，使用的数据片段被称为输入，输入包括脚本和如何解锁输入的说明（称为scriptSigs）。

另外一半由一个或多个被称为输出的新锁组成，这些锁会再次锁定相同或更少数量的比特币，输出包括名为scriptPubKeys的脚本。因此，比特币在单笔交易中有效地从输入转移到输出，并同时从一笔交易跳转到另一笔交易。

这条规则有一种主要的例外。一笔coinbase交易（不要与coinbase交易所混淆了）是矿工在找到新区块时创建的交易，并且当中包含了区块奖励：撰文时为25个比特币（现在是12.5）。此外，矿工可以将交易中解锁了但没有再次锁定的比特币增加到coinbase奖励当中：简单来说就是输入和输出的差额，即交易手续费。

所有这些比特币的“解锁”和“锁定”都是由交易发送方完成的，随后以数据包的形式通过比特币网络进行传输。然后，网络上的所有节点都会检查这个解锁和锁定过程是否正确完成。如果没有问题，他们会将交易转发给其他节点。如果某个节点同时也是一个矿工，那它就可能会将交易打包到区块中。然而，是否会被打包进区块取决于矿工，这就是给矿工手续费的原因。

非常重要的一点是，所有节点遵循的交易验证规则与（几乎）所有矿工使用的规则是兼容的。如果某些矿工将交易打包进其他节点拒绝的区块中，则整个区块将被该节点视为无效。如果该节点是矿工，则可能导致双花和网络分叉。

共识规则允许交易同时以几种不同的方式来锁定（和解锁）比特币。但锁定比特币的输出通常至少包括一个scriptPubKey：“证明你拥有（或者知道）对应于该比特币地址的公钥的私钥。”

（用私钥推导出公钥很容易，但几乎不可能通过公钥推导出私钥。同样，通过公钥计算出比特币地址很容易，但很难通过比特币地推导出公钥。因此，从私钥计算出比特币地址也很容易，但不可能通过比特币地址推导出私钥。这是“单向的”。）

当然，用于将比特币锁定在scriptPubKey中的比特币地址是交易接收方提供的。由于接收方使用只有他自己知道的私钥创建出这个比特币地址，因此他是唯一可以创建有效scriptSig的人，也是唯一可以创建新交易并使用被锁定比特币的人。

签名是怎么来的？

为了证明对应于与比特币地址的私钥的所有权，理论上可以在交易的scriptSig中包含私钥，但是这样一点都不安全。最重要的是，任何看到交易的人都可以获取私钥，并创建一笔新的交易（或更改原始交易），将原始交易中的接收方改成自己。如果真是这样的话，对矿工而言偷比特币就会是小菜一碟了，因为他们是挑选交易进行确认的人。

因此，scriptPubys通常要求scriptSig包含一个或多个签名来解锁比特币。

签名是一种密码学技巧，使用私钥与任意其他数据组合来计算出唯一的数字字符串。并且，根据密码学原理，可以使用对应的公钥来验证签名是不是使用该私钥创建的。因此，签名既证明了私钥的所有权，又证明了该私钥的所有者对特定数据片段的批准，同时不需要泄露私钥。

在比特币中，私钥通常用于对交易数据进行签名来减去交易输入。（包括，scriptPubKeys、锁定的数量和一些其他细节。）随后，将签名和用于使用比特币的公钥添加到交易的输入字段中。这样也证明了私钥的所有者确实打算创建交易并确保它不会被篡改。

然后，将所有这些交易数据（包括此时的交易输入）一并哈希运算，创建出交易ID，用于标识出特定交易。如果交易随后被打包入块，那么矿工会将交易ID与另一个交易ID一起哈希运算产生新的哈希值。如果有其他两个交易ID的哈希值，则再次进行哈希处理，一直持续到只剩下一个哈希值为止。这种散列结构称为默克尔树（Merkle Tree），最终产生的哈希值为默克尔根（Merkle Root）。该默克尔根与其他区块数据组合以形成区块头（header），用于标识特定区块。最后，这个区块头的哈希值会被包含在下一个区块的区块头中，从而将区块链接在一起。

比特币被认为是不可篡改的，因为追溯性地更改任意交易的任何部分都会改变交易ID，进而改变区块头。而改变了的区块头不再符合工作量证明的要求，并且由于区块头会影响后续区块头的组成，因此它们中的任何一个都会被视为无效。

什么是隔离验证？

由Wuille在香港提出的隔离验证提议是基于Blockstream的侧链Elements中所使用的一个概念，再结合比特币核心开发人员Luke Dashjr的补充构思。在过去的几个月中，Wuille与比特币核心开发人员Gregory Maxwell和Eric Lombrozo合作对隔离验证进行了概念化，并计划在2016年推出。

因此，对于不使用隔离验证的比特币节点（我们称之为“旧节点”）的而言，接下来一些新创建的交易输出中可能会使用奇怪的scriptPubKeys。之所以奇怪，是因为这些scriptPubKeys几乎不能被认为是锁，基本上标明了它们不需要签名，或者说看起来就像“任何人都可以花”。此外，它们还包括一些无意义的文本。

从旧节点看来，这些交易是疯狂的。他们会以为任何人都可以创建一个新的scriptSig，来解锁这些交易输出，这意味着这些交易非常不安全。但与此同时，旧节点也依然会照常运行。毕竟，又不是他们自己的交易出问题了。无意义的文本虽然奇怪，但也不会导致什么问题。因此，它们依然会确认交易有效，并将其转发给其他节点。

但是，使用了隔离验证的节点（我们称之为“新节点”）会识别出其他东西。他们会在scriptPubKey中看到那些“无意义的文本”，但并不会认为它们毫无意义。相反，新节点会将这段文本识别为另一种非常特殊的输出类型。

与典型的交易输出类似，这种新类型的输出需要一个或多个签名才能解锁比特币。但与典型输出不同，这种新类型的输出不需要将签名包含在后续事务的scriptSig中。相反，它需要将签名包含在交易之外的全新区域中：隔离见证数据区域。

这个隔离验证数据区基本上就是一个带有签名和一些附加数据的“附加组件”。重要的是，隔离验证区域被旧节点完全忽略，但会被新节点识别。此外，它们携带的数据不会与交易的其他部分一起哈希处理到交易ID中。

因此，旧节点和新节点都将会认为包含隔离验证中的签名的交易有效。旧节点会验证它们，因为从他们的角度来看，这些交易根本不需要签名（他们也看不到签名），而新节点也会验证它们，因为所需的签名位于隔离验证区域中。并且由于旧节点和新节点都将交易数据哈希处理到相同的交易ID中，所以每个节点都认可这些区块的组成，乃至整个区块链的结构。

（值得注意的是，所有或者绝大多数矿工都应该使用隔离验证，以防止双花和硬分叉，要么就都不使用。如果所有矿工都使用了隔离验证，尽管网络上的旧节点可能会想知道为什么有些交易没有被打包，但由于打包哪些交易是由矿工决定的，而且这些交易也不是他们的交易，所以旧节点也不会介意。）

但是还存在一个问题：如果签名对区块链的构成没有影响，那么区块链就不能证明交易中包含正确的签名了。

为了确保签名都被嵌入到区块链中，启用隔离验证的矿工也需要添加一种手段。不仅在所有交易中创建默克尔树，还要从所有隔离验证中创建一个默克尔树，来将交易的树进行镜像。

然后，将隔离验证的默克尔根包含在coinbase交易的输入字段中。因此，隔离验证的默克尔根会改变coinbase交易的交易数据以及其交易ID，从而影响区块头，并最终影响区块链的构成。

Wuille的隔离验证提议能够实现从比特币交易中将签名删除，同时保持比特币的不可篡改，并且不违反任何现有的共识机制。