密码学基础

哈希函数的三个特点：

单向性（One-Wayness）：$X \rightarrow H(X)$。
唯一性（Uniqueness）：$X$ 只对应一个 $H(X)$。
抗碰撞性（Collision Resistance）：不存在 $H(X) = H(Y)$。

数据结构

最重要的哈希树（Merkle Tree）结构。

Merkle Tree

区块链实现

UTXO（Unspent Transaction Output）：所有没被花掉的交易的输出。全节点要在内存中维护 UTXO，以便快速检验是否存在 Double Spending。

网络

比特币网络使用 P2P 和 TCP，便于穿透防火墙。
比特币对区块有 1M 字节的限制。

挖矿难度

挖矿原理：$$ Hash(Block \ Header) \leq Target $$
比特币采用 SHA-256 算法，也就是说目标值有 $2^{256}$ 个取值。
挖矿难度：$$ Difficulty = \frac{Difficulty^{=1} \ Target}{Target} $$
限制出块时间。出块时间太短：容易改链。
比特币规定每隔 2016 个区块要调整阈值。目标阈值迭代更新方法：

$$ Target=Target \times \frac{Actual \ Time}{Expected \ Time} $$

$$ Expected \ Time = 2016 \times 10 \ min/block $$

挖矿难度用 nBits 格式存储，包含在区块头中。
比特币系统中的参数可能只在中本聪的一念之间。

挖矿

轻节点	全节点
不一定在线	一直在线
不用保存整个区块链，只要保存每个区块的区块头	在本地硬盘上维护完整的区块链信息
不用保存全部交易，只保存与自己相关的交易	在内存里维护 UTXO 集合，以极快速度验证交易的正确性
无法验证大多数交易的合法性，只能验证与自己相关的那些交易的合法性	监听比特币网络上的交易信息，验证每个交易的合法性
无法检测网上发布的区块的正确性	决定哪些交易会打包到区块里
可以验证好的难度	监听别的矿工挖出来的区块，验证其合法性
只能检测哪个是最长链，不知道哪个是最长合法链	挖矿（选择链分支）

ASIC（Application Specific Integrated Circuit）：专门为挖矿而生的芯片。现在的挖矿难度用 GPU 已经划不来了。有的加密货币还提出 Alternative Puzzle 来抵抗 ASIC 挖矿。

矿池：矿主分配任务，矿工提交 Almost Vaild Block 给矿主来计算工作量。

比特币脚本

Bitcoin Scripting Language：非常简单，基于栈的语言。

btc-scripting

交易结构

"result": {
    "txid": "921a...dd24",
    "hash": "921a...dd24",
    "version": 1,
    "size": 226,
    "locktime": 0,
    "vin": [...],
    "vout": [...],
    "blockhash":    "0000000000000000002c510d...5c0b",
    "confirmations": 23,
    "time": 1530846727,
    "blocktime": 1530846727
}

交易的输入

"vin": [
    {
    "txid": "c0cb...c57b",
    "vout": 0, // 对应上一个交易的第 0 个输出
    "scriptSig": {
            "asm": "3045...0018",
            "hex": "4830...0018"
        }
    }
]

交易的输出

"vout": [
  {
    "value": 0.22684000, // 交易金额，也可以用 Satoshi 作为单位
    "n": 0,
    "scriptPubKey": {
      "asm": "DUP HASH160 628e...d743 EQUALVERIFY CHECKSIG",
      "hex": "76a9...88ac",
      "reqSigs": 1,
      "type": "pubkeyhash",
      "addresses": [
        "19z8LJkNXLrTv2QK5jgTncJCGUEEfpQvSr"
      ]
    }
  },
  {
    "value": 0.53756644,
    "n": 1,
    "scriptPubKey": {
      "asm": "DUP HASH160 da7d...2cd2 EQUALVERIFY CHECKSIG",
      "hex": "76a9...88ac",
      "reqSigs": 1,
      "type": "pubkeyhash",
      "addresses": [
        "1LvGTpdyeVLcLCDK2m9f7Pbh7zwhs7NYhX"
      ]
    }
  }
]

P2PK

Pay to Puclic Key，最简单。

Input Script:
- PUSHDATA(SIG)
Output Script:
- PUSHDATA(PubKey)
- CHECKSIG

P2PKH

Pay to Public Key Hash，最常用。

Input Script:
- PUSHDATA (Sig)
- PUSHDATA (PubKey)
Output Script:
- DUP：将 PubKey 再复制一份
- HASH160
- PUSHDATA (PubKeyHash)
- EQUALVERIFY
- CHECKSIG

P2SH

Pay to Script Hash，可以实现多重签名。

Input Script:
- ×
- PUSHDATA (Sig_1)
- PUSHDATA (Sig_2)
- …
- PUSHDATA (Sig_M)
- PUSHDATA (serialized RedeemScript)
Output Script:
- HASH160
- PUSHDATA (RedeemScriptHash)
- EQUAL
redeemScript:
- M
- PUSHDATA (pubkey_1)
- PUSHDATA (pubkey_2)
- …
- PUSHDATA (pubkey_N)
- N
- CHECKMULTISIG

分叉

状态分叉

因为对区块状态意见不合导致的分叉，例如分叉攻击。

协议分叉

硬分叉：需要所有区块都升级。
软分叉：不需要所有区块都升级的更新，例如 P2SH。

上次修改於 2024-08-26