知識補完計画

区块链

简介

区块链可以看作一种分布式数据库技术，它是以区块为单位节点的链式数据结构，每个区块 中包含前一个区块的数字摘要，用于对前一个区块（节点）的连接以及数据校验。通过维护 这个链式结构，可以维持 持续增长的、不可篡改的 数据记录，适合分布式记账场景下防篡 改和可扩展性的需求。

三个基本概念：

Transaction一次对账本的操作，导致账本状态的一次改变，比如添加一条转账记录
Block记录一段时间内发生的所有交易和状态结果等，是对当前账本状态的一次共识
Chain由区块按照发生顺序串联而成，是整个账本状态变化的日志记录

技术特点：

  • 维护一条不断增长的链，只可能添加记录，而且记录一旦确认则不可篡改；
  • 非中心化的共识，无需集中的控制，实现上尽量为分布式；
  • 通过密码学的机制来确保交易无法被抵赖和破坏，并尽量保护用户信息和记录的隐私性。

技术分类：

  1. 公有链：任何人都可以参与使用和维护，参与者多为匿名。比如比特币和以太坊区块链，信息是完全公开的。

  2. 私有链：由集中管理者进行管理限制，只有内部少数人可以使用，信息不公开。一般认 为跟传统中心化记账系统的差异不明显。

  3. 联盟链：由若干组织（如供应链机构或银行联盟等）一起合作维护一条区块链，该区块 链的使用 必须是带有权限的限制访问 ，相关信息会得到保护，比如超级账本项目。

区块结构

区块头

数据项描述长度（字节）
--------------------------------------------------------------------------------------
Version版本号，用于跟踪软件/协议的更新4
Prev Block Hash前一个区块的 256 位哈希值32
Time从`1970-01-01 00:00 UTC`开始到现在，以秒为单位的当前时间戳4
Bits压缩格式的当前目标哈希值，用于标注挖矿难度4
Nonce从 0 开始的 32 位随机数4
Merkle Root Hash基于一个区块中所有交易的 256 位哈希值32

Merkle 树结构

Merkle 树（哈系树）是一种典型的二叉树结构，其主要特点为：

  • 最下面的叶节点包含存储数据或其哈希值。
  • 非叶子节点（包括中间节点和根节点）都是它的两个孩子节点内容的哈希值。

Merkle 树的特点导致了它的一个性质，就是每一个叶子节点的改变都会沿着路径传递到根 节点，所以根节点的值可以看作整棵树的“数字摘要”，借此可以快速比较大量数据。

区块体

数据项描述长度（字节）
----------------------------------------------------------------
Magic Number0xD9B4BEF94
Block Size区块大小4
Block Header区块头，包含 6 个数据项80
Transaction Counter交易单数量，Variable Integer 类型1-9
Transactions交易单内容（非空）不固定

比特币

比特币网络是一个分布式的点对点网络，网络中的矿工通过“挖矿”来完成对交易记录的记 账过程，维护网络的正常运行。

交易过程

交易目的输入输出签名差额
---------------------------------------------------------------------------------------
T0A 转给 B他人向 A 交易的输出B 账户可以使用该交易A 签名确认输入减输出，作为交易服务费
T1B 转给 CT0 的输出C 账户可以使用该交易B 签名确认输入减输出，作为交易服务费
…X 转给 Y他人向 X 交易的输出Y 账户可以使用该交易X 签名确认输入减输出，作为交易服务费

正常情况下，每个交易需要包括若干输入和输出，而且总输入不能少于总输出，总输入中多 余的部分称为交易费用（Transaction Fee），由矿工获取。矿工获取挖矿奖励的 coinbase 交易则只有输出。

未经使用的交易的输出（Unspent Transaction Outputs，UTXO）可以被新的交易使用（引 用）作为其合法的输入；被使用过的交易的输出（Spent Transaction Outputs，STXO）， 则无法被引用作为合法输入。

比特币交易中，付款方通过“签名脚本”来证明所引用的 UTXO 的合法性，并指定“输出脚 本”来限定将来能使用新 UTXO 的收款方。

基本概念

账户/地址

比特币的账户地址其实就是用户公钥经过一系列 Hash（ HASH160 ，或先进行 SHA256 ，然 后进行 RIPEMD160 ）及编码运算后生成的 160 位的字符串。

一般情况下，会对账户地址串进行 Base58Check 编码，并添加前导字节（表明支持哪种脚 本）和长度为 4 的校验字节，以提高可读性和准确性。

交易

一条交易记录可能包括以下信息：

付款人地址合法的地址，公钥经过 SHA256 和 RIPEMD160 两次 Hash，得到的 160 位 Hash 串
付款人对交易的签字确认确保交易内容不被篡改
付款人资金的来源交易 ID从哪个交易的输出作为本次交易的输入
交易的金额多少钱，跟输入的差额将作为交易的服务费
收款人地址合法的地址
时间戳交易何时能生效

网络中的节点收到交易信息后，将进行以下检查：

  • 交易是否已经通过；

  • 交易是否合法，包括地址是否合法、发起交易者是否是输入地址的合法拥有者、是否是 UTXO；

  • 交易的输入之和是否大于输出之和。

检查都通过，则将交易标记为合法的 未确认 交易，并在网络内进行广播。

交易脚本

交易脚本的作用是验证交易的合法性，当所依附的交易发生时被触发。通过脚本机制而非写 死交易过程，比特币网络实现了一定的可扩展性。

一般每个交易都会包括两个脚本：

  1. 负责输出的锁定脚本（scriptPubKey）

    一般由付款方设置锁定，用来对能动用这笔交易的输出的对象（收款方）进行权限控制。 例如，限制必须是某个公钥的拥有者才能花费这笔交易。

  2. 负责输入的解锁脚本（scriptSig）

    用来证明自己可以满足交易输出脚本的锁定条件，即对某个交易的输出（比特币）的拥有权。

输出脚本目前支持两种类型：

  1. Pay-To-Public-Key-Hash(P2PKH) — 允许用户将比特币发送到一个或多个典型的比特币 地址上（证明拥有该公钥），前导字节一般为 0x00 。

  2. Pay-To-Script-Hash(P2SH) — 支付者创建一个输出脚本，里边包含另一个脚本（认领 脚本）的哈希，一般用于需要多人签名的场景，前导字节一般为 0x05 。

一个完整的交易指令如下：

<sig> <pubKey> OP_DUP OP_HASH160 <pubKeyHash> OP_EQUALVERIFY OP_CHECKSIG
<sig> <pubKey>签名和公钥，属于 scriptSig
OP_DUP复制栈顶元素
OP_HASH160计算 hash 值
OP_EQUALVERIFY判断栈顶两元素是否相等
OP_CHECKSIG判断签名是否合法

关系图谱

反向链接

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