BTC-协议

一个去中心化的数字货币要解决两个问题

1、谁有权发行货币

比特币的发行是由挖矿决定的（coinbase transaction 唯一一个产生新币的途径）比特币通过挖矿来决定货币的发行权，发行量

2、怎样验证交易的合法性，防止双花攻击（doule spending attack）

依靠区块链的数据结构

• 每个交易都包含了输入和输出部分，输入部分要说明币的来源和公钥；输出部分要给出收款人的公钥的哈希，说明币的来源是为了证明币不是凭空捏造的是有记录的，同时也是防范double spending attack

• 在比特币系统当中，前面这些验证过程，是通过执行脚本来实现的。每个交易的输入提一段脚本，包括给出公钥的过程，公钥也是在输入的脚本里指定的。每个交易的输出也是一段脚本，验证其的合法性，就需要把当前交易的输入脚本跟前面交易(提供币来源的交易)的输出脚本拼在一起，然后看看能不能顺利执行，如果能执行说明是合法的。BitCoin Script(脚本执行)

• 双花攻击

判断一个交易是不是double spending ，是看这个区块所在的分支上币有没有被花掉

简单的区块链交易模型

Coinbase tx(铸币权)

在该模型中，A获得了铸币权，发行了十个币，在第一个交易中，A转给了B五个币，转给了C五个币，A对该交易签名，同时，通过一个指针指出了这十个币的来源，后面的两个交易类似。

在进行交易时，需要付款人的签名和收款人的地址，在比特币系统中，该地址即为收款人的公钥的哈希。可以将其视为银行账户，根据此进行转账交易。（虽然公钥可以公开，但实际中更多公开的是公钥的哈希）
在交易中，收款方需要知道付款方的公钥，从而验证A签名是否有效。即A需要提供自己的公钥（实际上其他节点都需要知道付款方公钥，验证交易合法性）实际中A转账时候提供的公钥需要和铸币交易中公钥对的上，这样就防止了恶意节点伪造A的公钥来“偷”走A的比特币。
在比特币系统中，通过执行脚本实现上述验证过程。将当前交易输入脚本与前一个交易输出脚本（说明币的来源的交易）拼接执行，如果可以正确执行，说明交易合法。
在该图中，一个区块仅含有一个交易，实际中一个区块中包含多个交易，交易通过Markle Tree组织起来，在区块中存储。

区块信息

merkle root hash保证了block body内容不被篡改，所以只需要计算block header即可保证整个区块内容不会被篡改。取哈希只针对Block Header。

full node（少）：全节点保存了区块链的所有信息，验证每一个交易

light node（多）：轻节点只保存了block header，不参与区块链的构造维护

分布式的共识协议

distributed hash table(共识哈希表）

多台电脑共同维护一个全局的哈希表

distributed consensus(分布式的内容要取得分布式的共识)

Paxos协议(能保证协议一致性)

分布式共识一个著名的协议是Paxos，该协议能够保证一致性，即第一个性质。如果该协议打成了共识，那么这个共识一定是一致的，即每个成员所认为的共识都是相同的。但是，某些情况下，该协议可能永远无法达成共识，这种可能性比较小但是客观存在的

BTC-共识协议(Consensus in BitCoin)

存在的问题：系统中存在恶意节点

membership(确定谁有投票权)

Hyperledger fabric(联盟链)

女巫攻击(Sybil attack)

• 女巫攻击(Sybil attack)

  比特币系统创建账户是很容易的，甚至一个人产生了公私钥对别人都无法得知，只有转账时别人才知道。所以有些人可以不停的创建账户，当超过账户总数的一半时就有了控制权

• 怎样防范女巫攻击(Sybil attack)

  即使创建再多的账户，也无法使算力增强

算力投票

算力投票是比特币使用的共识协议，即通常所说的“挖矿”，每个结点都可以自行组装区块，尝试各种nonce值，当找到某个符合条件的nonce时便获得了记账权，从而将区块发布到系统中，其中节点收到区块后可以验证其合法性，如果系统中大多数结点验证通过（51%），则接受该区块。

impossibility result(不可能的实现结论)

FLP结论

在一个异步的(asynchronous)系统里，(网络传输时延没有上限就叫异步系统)，即使只有一个成员是有问题的(faulty)，也不可能取得共识。

CAP结论

分布式系统的三个性质

Consistency(一致性) 即更新操作成功并返回客户端后，所有节点在同一时间的数据完全一致

Availability(可用性) 即服务一直可用，而且是正常响应时间

Partition tolerance(分区容错）即分布式系统在遇到某节点或网络分区故障的时候，仍然能够对外提供满足一致性和可用性的服务。

以上最多只能满足两个

Partition tolerance(分区容错)

大多数分布式系统都分布在多个子网络。每个子网络就叫做一个区(partition)。分区容错的意思是，区间通信可能失败。比如，一台服务器放在中国，另一台服务器放在美国，这就是两个区，它们之间可能无法通信

注意事项

• Longest valid chain(最长链机制)比特币中只承认最长链的有效性

• forking attack(分叉攻击) 依靠全网节点的认可度，不符合Longest valid chain会被抛弃，客观存在，实现条件不充分

  • 
  • 如上图所示，在区块链正常的工作中，也可能会发生分叉，当连个节点同时获得记账权时，会有两个区块同时上链，此时会有两个等长的合法链。在缺省情况下，节点接受最先听到的区块，该节点会沿着该区块继续延续，但随着时间延续，必然有一个链胜出，由此保证了区块链的一致性。

• block reward(出块奖励）它是比特币中的激励机制，获得记账权的结点在发布的区块中可以加一个特殊的交易（铸币交易），这是发布比特币的唯一方法，不需要指明币的来源。最开始每个区块可以发布50个比特币，每过21万个区块比特币会减半，现在只有12.5个比特币了

• block header和block body的内容

比特币中的共识具体：

• 比特币系统中去中心化的账本要取得共识
• 只有获得记账权的节点才能写东西
• 获得记账权就是pow(挖矿)。按照算力计票，算力可以用每秒能试多少nonce(随机数)数值表示

记账权

• 记账权就是往比特币账本里写入下一个区块的权利。只有找到这个nonce(随机数)，获得记账权的节点才有权利发布下一个区块。其他节点收到这个区块之后，要验证这个区块的合法性，比如block header的内容填的对不对,block header里面有一个域，叫nBits域，实际上它是目标预值的一个编码检查一下nBits域设置的是不是符合比特币协议中规定的难度要求；该不等式是否成立。假设都符合要求，然后检查block body 里面的交易列表，验证一下每个交易都是合法的:①要有合法的签名②以前没有被花过。如果有一项不符合要求，这个区块就是不能被接受的。如果所有条件都符合，也不一定接受。

• 比特币争夺记账权的过程叫作挖矿(mining)

• 比特币被称为数字黄金(digital gold)

• 争夺记账权的节点被称为矿工(miner)