如何实现区块链系统
yuuki Lv5

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C3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
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UTXO集合中每个元素要给出产生这个输出的交易的哈希值,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。

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)。

每个交易会消耗输出,但也会产生新的输出。

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。
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假如有人收到BTC转账,但一直不花,那么这个信息会一直保存在UTXO中。这种情况可能是该用户不想花这些BTC(如:中本聪) ,也有可能是忘记了私钥导致无法花掉。所以,UTXO是逐渐增大的,但该数据目前来说,一个普通的服务器硬盘中是可以完全保存这些数据的。

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。

BTC系统中每21万个区块,BTC出块奖励减半。根据下图计算,基本上出块奖励每4年减半。
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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

BTC系统中具体的区块信息

如下图所示,为一个区块的信息(取自视频中截图,源自blockchain.info)
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  • 什么是挖矿?
    可以看到,区块哈希与前一区块哈希都是以一长串0开头的,挖矿本身就是尝试各种nonce,使得产生的区块哈希值小于等于目标阈值。该目标阈值,表示成16进制,就是前面含有一长串的0

下为block header的代码中实现的数据结构。里面的几个域在公开课笔记4中(比特币区块信息)已经解释过了,这里不再赘述。
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可以看到,nonce是一个32位的无符号整型数据,在挖矿时候是通过不断调整nonce进行的,但可以看到,nonce的取值最多为2^32 (2的32次方)种。但并非将这些nonce全部遍历一遍,就一定能找到符合要求的nonce。由于近年来,挖矿人员越来越多,挖矿难度已经调整的比较大了(关于难度调整请关注后续博文,会有专门一篇介绍难度调整),而2^32这一搜索空间太小,所以仅调整nonce很大可能找不到正确的结果。

还有哪些域可以调整呢?

下图为block header中对各个域的描述。而仅仅调整nonce是不够的,所以这里可以通过修改Merkle Tree的根哈希值来进行调整。

思考:打包的交易和顺序确定了,根哈希值不就确定了吗?这个怎么能修改呢?

铸币交易(coinbase交易)

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在公开课笔记4中提及,每个发布区块者可以得到出快奖励,也就是可以在区块中发布一个 铸币交易(coinbase交易) ,这也是BTC系统中产生新比特币的唯一方式。下为一个铸币交易的内容:
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可以看到,有一个CoinBase域,其中可以写入任何内容,在这里写什么都没有影响。所以可以在这里添加一些任意信息,便可以实现无法篡改(也无法删除)。(例如:提前写入股票预测结果的哈希值、写入人生感想,写入爱情誓言(无法删除,想想删不掉十年前发表的QQ空间非主流说说是多么痛苦吧,嘿嘿嘿))
所以,只要我们改变了写入内容,便可以改变Merkle Tree 的根哈希值。

下图为一个小型的区块链,假定左下角交易为coinbase交易,可以看到,该交易发生改变会逐级向上传递,最终导致Merkle Tree根哈希值发生改变。
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所以,在实际的挖矿中,包含两层循环。外层循环调整coinbase域(可以规定只将其中前x个字节作为另一个nonce),算出block header中根哈希值后,内层循环再调整nonce。

普通转账交易

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如果将输入脚本和输出脚本拼接起来可以顺利执行不出现错误,则说明交易合法。

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(车牌摇号也是如此,,心痛…)。
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)
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系统平均出块时间为10min,该时间为系统本身设计,通过难度调整维护其平均出块时间。
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。

虽然这样看起来是一个冷酷的事情,过去的工作可能都会白做。但实际上这才是挖矿公平性的保障。对算力有优势的矿工来说,其之前所做大量工作仍有可能会白费。

比特币总量计算

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也就是说,比特币系统中已经挖出和未挖出的比特币总数便是2100万个。
实际上,挖矿这一操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。

比特币越来越难被挖到,且出块奖励越来越少,是否说明其未来挖矿的动力将越来越低呢?
实际上,恰恰相反。在早期比特币很容易挖到的时候,比特币并不被人们所看好,而后,比特币估值上涨,吸引其他人参与挖矿,又进一步促进了比特币价值上涨,进而又吸引更多人参与进来。
当出块奖励趋于0时,则整个系统将依赖于交易费运行,届时交易费将成为维护比特币系统运行的重要保障。

比特币系统安全性分析

大多数算力掌握在好的用户手中,能否保障不良交易记录不会被写入区块链?
需要注意的是,算力低的用户并非完全不能获得记账权,仅仅是概率上较低的问题。但实际上,即使拥有少量算力的恶意节点,也有一定概率获得某个区块的记账权。

    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。
    1. 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。
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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。
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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。

    1. 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)。
    1. 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。

selfish mining有好处吗?
如图所示,假使挖到2号时候先不发布,则其他人仍然需要挖1号区块,若其算力足够强,能保证别人挖出1之后可以挖出3.可以此时将2和3一起发布,从而将1区块所在链最长合法链挤掉(减少了别人和自己竞争挖3号区块)。
但这样存在风险,如果别人已经挖出1,自己还没挖出3,则需要尽快发布2和别人竞争最长合法链地位。
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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。
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