bitcoin轻钱包之SPV验证-Toy模板网

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SPV验证

在bitcoin中被首次使用，本文就针对bitcoin中的SPV验证来介绍。

区块结构

区块头header+区块体body
区块头：版本号、随机数、挖矿难度、前一个区块头的哈希、Merkle根（交易列表计算而成的）
区块体：交易列表

轻客户端

全节点（ Full Node ）和轻客户端（ Thin Client )：全节点是一个程序，例如中本聪自己写的 Bitcoin Coin ，这个程序运行起来之后，会把整条区块链都下载到本地。目前（2022年中），bitcoin所有区块大小总和已经达到几百G，要在手机上跑全节点基本是不可能的。所以有轻客户端的概念，例如 Electrum 就是个轻客户端。轻客户端可以安装在电脑上也可以安装在手机上，为啥呢？因为轻客户端只会去下载区块头，每个区块头只有80K，所以一条区块头组成的链，只有几十兆。

SPV 就是一个在轻客户端环境下，验证交易有效性的过程。

SPV验证过程

安装全节点，很多时候是因为我们要挖矿。而安装轻客户端，通常就是把它当成一个钱包软件用。SPV 要解决的就是使用轻客户端交易时的支付确认问题。

钱包当然就是用来负责当前账户的转入和转出操作的。先说转出，**轻客户端能构建交易，并且签名交易，再广播到全网。再说转入，网上交易很多，但是轻客户端只会去下载跟自己的账户相关的交易。**那么不管是转入还是转出交易，下载到轻客户端本地的都是相对孤立的交易，因为本地没有保存区块体。那么如何去验证交易生效了呢？这就是 SPV 要解决的问题。我们知道，一个交易在区块链上生效，意味着要满足两个条件：一个是交易已经被打包到了某个区块中，另外一个是这个区块之上又继续打包了5个区块，也就是所谓的六次确认。

但是，毕竟轻客户端这里是没有保存任何交易的，所以一个独立的交易拿出来，要确定它属于哪个区块也是不可能的。这时候轻客户端需要发起 SPV 过程：

1、首先，轻客户端要发起一个专门的确认请求，把这个交易广播给网络上邻近的全节点。

2、全节点收到交易后，会去搜索这个交易属于哪个区块，然后会运算这个区块的 Merkle Tree 。

这时， Merkle Tree 最大的优势现在就发挥出来了，因为要确认一个交易是不是从属于一个 Merkle 根，是不需要把整个 Merkle Tree 都发送给轻节点的，而只需要发送跟当前交易相关的部分 Merkle 树即可。

3、这样，轻节点接收到这个局部的 Merkle 树之后，在自己本地运算一下这个交易的哈希，然后根据部分 Merkle 树上的各个哈希值，一路运算获得 Merkle 根，如果这个值跟自己的区块头中的正好吻合，交易验证就成功了。

总结来说，轻节点想要确认本地保存的某交易，是否被打包进区块链，需要触发SPV验证过程，过程如下：

轻节点向邻近所有全节点发送SPV确认请求request
全节点在区块链中搜索request中包含的交易t所在区块b
全节点计算区块b的Merkle树
全节点发送部分Merkle树给轻节点
轻节点根据这部分树和t计算出来一个Merkle根root1
轻节点比较root1和本地保存的区块头中的merkle根，若相同说明t已经被包含在区块链中

所以整个 SPV 过程是靠全节点帮忙去验证交易的，轻节点自身不能验证交易，但是通过确认其他全节点都接受了这次交易，就间接完成了交易确认。但是，全节点有没有可能反馈一个假的 Merkle Tree 过来呢？答案是不可能。反馈一个假的，不可能骗到用户，因为和用户本地的merkle root根本不会一样。想要伪造成功，就是去碰撞 sha256 算法，这是计算不可能实现的。

SPV 有什么用处？

首先一个用处就是实现钱包软件。如果一个钱包软件想要安装在移动设备上，想要避免去下载一百多 G 的区块数据。那么就只有两个思路，一个是借助中心化服务器，让钱包去把信息先发送到服务器，然后由服务器去验证交易，这样的思路显然就偏中心化了。另外一个思路就是 SPV ，类似 Electrum 这样的钱包，就可以通过只下载区块头来验证交易，整个的数据量和计算量都是不大的，可以直接运行在低端设备上。所以很多轻客户端，也叫轻钱包，或者叫 SPV 钱包。

SPV 的另外一个用途就是实现侧链技术。侧链就是可以通过双向锚定来使用主链上的币的一条链，上面可以做出各种创新。例如基于bitcoin的侧链开发出的 RootStock ，可以基于bitcoin实现智能合约平台。而双向锚定过程，就依赖于 SPV 技术。

所以，虽然 SPV 在白皮书上所占的篇幅不大，但是实际中发挥的作用是非常大的。