1 UTXO :
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BTC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(UnspentTransaction Output尚未被花掉的交易输出) 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
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。
1.1为什么要维护这样一个数据集合?
原因:为了防止“双花攻击”,判断一个交易是否合法,要查一下该交易所需的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,说明这个BTC要么根本不存在,要么已经被花过。所以,全节点需要再内存中维护这样一个UTXO集合,从而快速检测是否有double spending(双花攻击)
每个交易会 消耗输出,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。
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。
1.2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?
解答: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。
平均每隔十分钟产生一个新区块,每21万个区块,出块奖励减半,大约每隔四年半出块奖励就会减半
2 BTC区块的具体信息:
Block header
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 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。
3 铸币交易(coinbase):
每个发布区块者可以得到出块奖励,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:
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信息,便可以实现无法篡改(也无法删除)
4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 independentBernoulli 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)文章来源:https://www.toymoban.com/news/detail-510506.html
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。文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-510506.html
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。
5 BTC系统安全性分析:
5.1 可否偷币?
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。
5.2可否将已经话过的币再花一遍?
如下图1,若M已经将BTC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。
5.3 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)。
5.4 可否挖到矿但不发布?
selfifish 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。
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