北京大学肖臻老师《区块链技术与应用》公开课笔记5——BTC具体实现篇
北京⼤学肖臻⽼师《区块链技术与应⽤》公开课笔记5——BTC具体实现篇
北京⼤学肖臻⽼师《区块链技术与应⽤》公开课笔记
⽐特币具体实现篇，对应肖⽼师视频：
全系列笔记请见：
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
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。
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
文科生最好的六个专业不想花这些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。
x战警系列顺序>各省简称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。
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）
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。2021年冬至
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）
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：
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。qq网络游戏大全
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
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)
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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