区块链学习笔记（3）BTC协议

假设有一个大家都信任的中心化机构想要发行数字货币。

该机构由用自己的私钥签名后后发行，任何人都可以通过公钥验证该货币是否为真。
买东西的时候，购买者可以将数字货币发送给卖方，卖方可以也可以通过公钥验证该货币为真后即可完成支付的过程。
此方案没有用到区块链技术，使用的是密码学中的非对称加密公私钥体系。
但该方案存在一个明显漏洞：
不同于现实中的货币，交易者可以对手中的数字货币进行复制，使得一张数字货币可以重复使用。
花两次攻击/双花攻击（double spending attack）
数字货币面临的主要挑战就是怎么应对double spending attack。
如果如下图所示，对每一个发行的数字货币进行编号。

同时，货币发行机构维护一个数据库，负责记录每一张数字货币的归属。

如上图，在进行交易的时候首先通过机构核实该货币目前的归属，如果发现该货币已经支付给了别人，则无法进行第二次支付，以此来避免double spending attack。
此方案可以实现，但属于一个中心化的方案。数字货币的发行和每一次交易都需要通过发行机构证明合法性。
能否实现一个去中心化的方案，将货币发行机构的职能由广大用户进行承担？这就是BTC数字货币系统要解决的问题。
一个去中心化的货币需要解决两个问题：
1.数字货币的发行。（谁有权力发行数字货币）
2.怎么验证交易的有效性。（怎样防止double spending attack）
对于第二个问题，解决方法也是需要维护一个数据结构，来检测这个币有没有被花过，被谁花过。但这个数据结构不是由中心化机构来维护，而是由所有的用户来维护。这个数据结构就是区块链。
BTC系统中每个交易都包含了输入和输出两部分。输入部分要说明币的来源，输出部分要给出收款人公钥的哈希。

如上图所示，A拿到了铸币权，发行了10个比特币，接着A给B和C每个人5个比特币，该交易需要A的签名，证明是A同意的。同时该交易还要说明花掉的10个比特币的来源。B接着转给C两个比特币，转给D3个比特币，同样B也要进行签名，同时说明币的来源。C将7个比特币转给E，签字，说明币的来源（两个来自前一个块，5个来自前前一个块）。
此处有两种哈希指针，一种负责连接整个区块，一种负责指向前面的某个交易，为了说明币的来源，防范double spending attack。
值得注意的是，如果A要向B转BTC，A需要向所有人公布自己的公钥，以此来使所有人能够通过A的公钥验证这笔交易（验证A的签名）。
但这里就存在一个问题，假设一个B’，声称自己为A，自己签名后发布自己的公钥声称是A完成的转账，其他人通过B’的公钥可以得到B’的签名，那如何分辨出该交易是伪造的呢？
每个交易分为输入和输出两部分，输入部分要说明币的来源和付款人的公钥，输出部分要给出收款人的公钥哈希。在上述情况中，A的币的来源于铸币交易，coinbase tx，输出里面有A的公钥哈希，因此A的转账中使用的公钥哈希要跟之前的公钥哈希对应，以此来验证是否真的为A发起的交易。
在实际中，每个区块可以包含很多交易，这些交易就组织成Merkle Tree。
每个区块分为块头（Block Header）和块身（Block Body）两部分。
Block Header包含该区块中宏观的信息，比如用的BTC哪个版本的协议（Version），区块链中指向前一个区块的指针（hash of previous block header/只算区块的块头），整个Merkle Tree的根哈希值（Merkle root hash），挖矿的难度目标阈值（target/目标阈值编码nBits）和随机数nonce。

Block Body中包含交易列表。
取hash时将块头的所有部分取hash，Block Body的信息不用管。因为Merkle root hash已经可以保证Block Body的信息无法被篡改。
系统中还分为全节点（full node）和轻节点（light node）。
全节点保存验证所有信息（fully validating node），轻节点（light weight node）保留Block Header的信息，一般来说，轻节点无法独立验证交易的合法性。系统中存在的大多数节点都是轻结点。轻节点没有参与区块链的构造与维护，只是利用区块链的一些信息做一些查询。
账本的内容要取得分布式共识（distributed consensus）。
distributed consensus的一个简单的例子是分布式的哈希表（distributed hash table）。这里需要取得共识包括哈希表中包含了哪些key-value pair。
在分布式系统中包含了很多不可能结论（impossible results），其中最著名的就是FLP：
在一个异步（asynchronous）（网络传输时延没有上限）的系统中，即使只有一个成员是有问题的（faulty），也没有办法达成共识。
还有一个著名结论CAP Theorem：
CAP指的是分布式系统我们想要达成的三个性质：Consistency、Availiability和Partition Tolerance。任何一个分布式系统最多只能满足上述两个性质，无法同时满足三个。
分布式共识的一个比较著名的协议Paxos，该协议可以保持一致性（Consistency），但某些情况下可能一直无法达成共识。
BTC中的共识协议（Consensus in BItcoins）：
BTC共识协议需要解决的问题是，有些节点可能是有恶意的。
如果采取投票决定新区块的协议首先要决定membership的问题，谁有资格进行投票。如果说这个membership有严格定义，比如联盟链（hyperledger fabric），只有某些符合条件的大公司才能加入。这种情况下基于投票的方案是可行的。
但是在区块链中，产生一个账户不需要任何人的批准，如果有个恶意节点一直连续不断的产生账户，产生的账户数量超过了要投票账户数量的一半，便可以操纵投票结果。（女巫攻击，sybil attack）
BTC系统中使用计算力代替账户进行投票。 每个节点都可以在本地组装成一个候选区块，把该节点认为合法的交易放入这个区块中，然后就开始尝试各种nonce值。

组装完成后开始测试各种随机数是否满足上述要求，如果某个节点找到了符合要求的nonce，则该节点获得了记账权，即向BTC去中心化账本中写入下一个区块的权利，只有找到nonce，获得记账权的账户才有权力发布下一个区块。其他节点收到区块以后要验证这个区块的合法性。
假设一个区块接收检查后都符合要求，是否一定会被接收？
longest valid chain：
BTC协议中规定，接受的链，应该是在扩展最长合法链。

分叉攻击（forking attack）：通过向区块链中间位置插入区块，来回滚某个已经发生了的交易。
在正常情况下，如果有两个节点同时获得了记账权，此时会发现两个等长的分叉。

BTc协议中，如果收到新的区块之后继续向下扩展，则说明认可（接收）了该区块。
如果出现了上述情况，上述情况会维持一段时间，一旦其中一个区块有新的区块向下扩展，另外一个就被丢弃掉了。、

为什么要争夺记账权？
1.有一定的权力，决定哪些交易可以被写入区块链中。（不应成为主要动力）
2.block reward
coinbase transaction是发行新的比特币的唯一方法。其他所有交易都只不过是把已有的BTC从一个账户转移到另一个账户。
挖矿（mining）：争夺记账权的过程。digital gold，miner。
笔记合集
原视频：北京大学肖臻老师《区块链技术与应用》公开课