青词的区块链学习笔记——第三节 比特币系统的实现

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比特币数，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(Unspent Transaction Output尚未被花掉的交易输出) 的数据结构。

如图，A转给B五个BTC，转给C 3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（接收者的公钥），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。

那么为什么要维护这样一个数据结构？为了防范“双花攻击”，判断一个交易是否合法，要查一下想要花掉的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，那么说明这个BTC要么根本不存在，要么已经被花过。所以，全节点需要在内存中维护一个UTXO，从而便于快速检测double spending（双花攻击）。

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。

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。在公开课笔记4中最后提及到“区块中保存交易记录，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？因此，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，还可以得到打包交易的交易费。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。

比特币是基于交易的模式，与之对应，还有一种基于账户的模式（如：以太坊）。基于账户的模式要求，系统中显示记录账户余额。也就是说，可以直接查询当前账户余额是多少货币。可以看到，比特币这种模式，隐私性较好，但其也付出一定代价。在进行交易时，因为没有账户这一概念，无法知道账户剩余多少BTC,所以必须说明币的来源（防止双花攻击）。而基于账户的模式，则天然地避免了这种缺陷，转账交易就是对一个（多个）账户余额的数字减和另一个（多个）账户余额的数字加和。

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 independent Bernoulli 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)

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。

实际上，挖矿这一 *** 作并非在解决数学难题，而是单纯的算力比拼。也就是说，挖矿这一过程并没有实际意义，但挖矿这一过程，却是对比特币系统的稳定起到重要维护作用。所以，只要大多数算力掌握在好的节点手中，便能够保障比特币系统的稳定。

比特币系统安全性分析

1、可否"偷币"？（恶意节点能不能将其他账户上比特币转给自己？）

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。

2、可否将已经话过的币再花一遍？

如下图1，若M已经将钱转给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。

如何防范这种攻击？如果再M->B这个交易之后还延续有几个区块，如下图所示，则大多数诚实节点不会承认下面的链。所以，便变成了恶意节点挖下面的链，其他节点挖上面的链的算力比拼。由于区块链中大多数节点为善意节点，则最终上面链会胜出，而恶意节点的链会不被认可，从而导致投入成本白费。

所以，一种简单防范防范便是多等几个确认区块。比特币协议中，缺省需要等6个确认区块，此时才认为该记录是不可篡改的。平均出块时间10min，六个确认区块便需要1小时，可见等待时间还是相对较长的。

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）。

4、selfish 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。

需要注意的是，比特币系统中，假如发生以下情况，各个节点以自己先收到的区块所在链为主链，对后收到的合法区块会不予认可（但会先保存起来）。此时便变成了两批算力分布挖1和2，具体哪一个成为主链，取决于哪一条链先挖到下一个区块，使得两个等长合法链出现长短不一致，最终胜者成为最长合法链。