区块链学习笔记2_区块链如何进行磁盘回收

关于比特币（参考自《白话区块链》）

1.回收硬盘空间

实际上，只有运行全功能节点的客户端才会一直保持完整的区块链数据。这里提出了一个思路，删除过老的一些交易数据，同 时不破坏区块的随机哈希值，通过这种方法压缩区块数据。

2.简化的支付确认（移动端的解决方案）

上述提到了，比特币客户端的数据量很大，这么一来，等于不管是 用比特币系统干什么都要带上大量的数据，这岂不是很不方便，而且也 会限制在其他一些终端（比如手机）上的使用。这部分提出了一个模 型，这个模型主要是为比特币的支付服务的。在这个模型下实现的比特 币支付功能并不需要携带那么庞大的数据，而只需要保留体积相对很小 的区块头。 

 

中本聪客户端的功能模块

钱包： 主要用于管理用户的密钥以及提供转账操作等功能，属于比特币的前端功能。

网络路由：底层的网络协议：TCP/IP协议

没有服务器，大家彼此如何来认识对方呢，即如何发现其他 的节点呢？这是需要通过一个协议的，首先节点会启动一个网络端口 ，通过这个网络端口与其他已知的节点建立连接。连接时，会发送一 条包含认证内容的消息进行“握手”确认，比特币网络中是靠彼此共享节 点信息来寻找其他节点的，当一个节点建立与其他节点的连接后，会发 送一条包含自身IP地址的消息给相邻的节点，而邻居收到后会再次发送 给自己的其他邻居，当然节点也不是只能被动地等别人来告诉自己，也 可以自己发送请求给其他节点索取这些地址信息，如果与发现的节点之 间能够成功连接，那么就会被记录下来，下次启动时就会自动去寻找上 次成功连接过的节点。
 

挖矿：挖矿有以下用途：

·抢夺区块打包权

·验证交易事务

·奖励发行新币

·广播新区块

比特币系统没有一个中心服务器，自然也就没有一个传统意义上的权威数据来源了。为保证各节点数据一致，就得有一个约定的规则，大家共同按照这个规则来进行竞争，谁竞争成功了谁就有数据的打包权，也就是记账权，打包完成后广播给别 人，别人只要验证一下有无问题即可，没有问题就存入到自己的数据文 件中。等于就是大家来竞争临时中心服务器的资格，那 么比特币中实行了一种什么样的规则呢？那就是被称为工作量证明 （Proof of Work，PoW）的一种算法，其实就是类似于掷骰子的一种游 戏。比如大家约定掷出一个10位长度的数字，前面6位要都是0，后面的 4位数得小于某个值，看谁先掷出符合要求的数字出来，谁就抢得了打 包权（记账权）。

1.难度值（书讲的有点乱，我试着整理了一下）

首先，既然是大家都在竞争掷骰子，那掷出来的数字必然是要符合 一个难度的，这个难度就是一个门槛，在比特币软件中，规定一个256 位的整数：
x00000000FFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFF

作为难度1的目标值。在比特币诞生初期，当时的全网算力，大约 需要10分钟左右的运算能得到一个符合这个难度1要求的值，这也是我 们常常说比特币网络每隔大约10分钟出一个区块的来源。我们在查询创 世区块（也就是0号区块）的信息时，可以看到当时的难度就是1。那 么，所谓符合这个难度为1的要求的值是什么意思呢？就是说通过工作 量证明算法，也就是比特币中的挖矿算法来计算出一个结果，这个结果 要小于这个难度目标值。

这个难度目标值是存储在区块的头部的，在源码中被定义为一个4字节长度的字段，4字节也就是32位，要用 来存储256位长度的难度目标值，因此这256位长度的值需要经过压缩处 理后才能放到这个字段中。以这个难度1的目标值来说，我们查询区块 信息后，看到的值是Bits：1d00ffff，那么，这个值是怎么压缩而来的呢？

首先，Bits字段的最高位字节用于存放目标值的有效位节数（有效位是从第一个不为0开始的字节），在难度1中，共32字节，前4位是0，因此有28位有效位节数，但是在压缩规则中，规定了如果难度值有效位 的最高位为1，则需要在前面补上一个0x00，而难度一的最高位为F，即1111，因此满足条件，需要再加一字节0（也就是0x00），因此，算起来共有29位有效位节数，记作1D。另外3个字节中存储的是目标值有效位的最高3个字节， 此时的目标值有效位前面已经加上了2个0，因此最高3个字节为 0x00FFFF，合起来压缩后的值就是0x1D00FFFF。对于这样的一个压缩 后的十六进制4字节难度目标值，前2位通常称为幂或者指数，后面6位 称为系数。

以此类推，目标值为0x00000000000404CB000000000000000000000000000000000000000000000000时，bits的格式为0x1B0404CB。

那还原时有公式： 目标值=系数*2^（8*（指数-3））次方。
我们就以这个0x1D00FFFF为例来说明，系数是后面6位也就是 00FFFF，指数是前面2位也就是1D，代入进去就是： 0x00FFFF*2^（8*（0x1D-3）），计算后得到的值是： 0x00000000FFFF0000000000000000000000000000000000000000000000000000 

2.挖矿计算

在比特币系统中，每个人都会将通过钱包进行的转账交易数 据广播到网络中，这些都是属于等待打包的未确认交易数据。这些数据 都会放在一个内存池中，总之就是一个缓冲区，当然，这些数据都会被 接受基本的验证，用以判断是否是不合法的或者是不符合格式的交易数 据。
挖矿程序从内存池中获取用来打包区块的交易数据，挖矿公式如下：

SHA256(      

    SHA256(version + prev_hash + merkle_root + ntime + nbits + nonce )    

) < TARGET

SHA256是一种哈希算法，可以通过对一段数据进行计算后输出一 个长度为256位的摘要信息。在这个公式中，对参数进行两 次SHA256计算，如果计算出来的值小于那个TARGET（也就是难度目 标值），那就算是挖矿成功了。那么，这些参数都是由哪些组成的呢？ 请看下表：

我们可以看到，要通过这样的参数来计算出符合条件的值，基本上 也就只能靠暴力计算匹配了，这种不断执行SHA256计算的过程很消耗 算力，因此这个过程被形象地称为“挖矿”。简单地说，挖矿就是重复计 算区块头的哈希值，不断修改该参数，直到与难度目标值匹配的一个过 程。

而挖矿的奖励其实是作为一 条交易事务包含在区块的交易事务中的，相当于系统给矿工转账了一笔 比特币，这种交易事务由于特殊性，通常称为coinbase交易，这个交易 一般是位于区块中的第一条。

 

如果在同一时间内多 个矿工都计算出了符合条件的值，都拥有了打包权，那以谁的为准呢？ 比特币中的解决方案是让节点自己选择，最终传播最广、处于最长链中的区块将被保留。
这里实际上隐含着FLP原理：在网络可靠，存在节点 失效（即使只有一个）的最小化异步模型系统中，不存在一个可以解决 一致性问题的确定性算法。这个其实也很好理解，来看个例子：三个人 在不同房间投票，虽然三个人彼此之间是可以通电话沟通的，但是经常 会有人时不时地睡着。比如，A投票0，B投票1，C收到了然后睡着了 （类比节点失效了），则A和B永远无法在有限时间内和C共同获得最终 的结果。看到这里，我们也就明白了挖矿的作用了，除了发行新的比特 币外，主要就是维持网络共识，让每个节点对区块链的数据保持最终一 致性。

 

 

比特币地址的形成：
1）首先使用随机数发生器生成一个私钥，私钥在比特币中的作用 非常重要，可以用来证明用户的身份，也可以签发交易事务。
2）私钥经过SECP256K1算法处理生成了公钥，SECP256K1是一种 特定的椭圆曲线算法，需要注意的是，通过算法可以从私钥生成公钥， 但是却无法反向从公钥生成私钥，这也是公钥为什么可以公开的原因。
3）公钥接下来先使用SHA256哈希算法计算，再使用RIPEMD160 哈希算法计算，计算出公钥哈希。比特币的代码通过2次哈希来计算地 址值，这样能进一步确保哈希后的数值唯一性，进一步降低不同数据进 行哈希后相同的概率。与SHA256一样，RIPEMD160也是一种哈希算 法。
4）将一个地址版本号连接到公钥哈希（比特币主网版本号为 0x00），然后对其进行两次SHA256运算，将计算得到的结果取前面4字 节作为公钥哈希的校验值。
5）将0x00版本号与公钥哈希以及校验值连接起来，然后进行 BASE58编码转换，最终得到了比特币地址。

这个过程如下图所示：

 

很多时候，我们在进行支付的时候，只是想通过一个支付验证，知 道支付已经成功发起就可以了。对于完整的交易验证（需要在完整的账 本数据上校验，比如是否包含足够的余额，是否双花等）可以交给核心 节点，这样就可以将钱包功能部分剥离出来，由此产生了SPV钱包，SPV钱包的大致过程如下所示。

1）首先下载完整的区块头数据，注意是区块头，而不是所有的区 块链数据，这样可以大大减少需要获取的账本数据量，区块头中包含有 区块的梅克尔根，SPV方式主要就是靠它来实现的。 

2）如果想要验证某笔支付交易，则计算出这笔交易事务的哈希值 txHash。

 

3）找到txHash所在的区块，验证一下所在区块的区块头是否包含 在账本数据中。
4）获得所在区块中计算梅克尔根所需要的哈希值。

5）计算出梅克尔根。

6）若计算结果与所在区块的梅克尔根相等，则支付交易是存在的。
7）根据该区块所处的高度位置，还可以确定该交易得到了多少个 确认。
 

比特币交易事务的数据结构：UTXO(直接看例子更好理解）

1）001号交易为Coinbase交易，也就是挖矿交易，在这个交易 中，“输入”部分没有对应的“输出”，而是由系统直接奖励发行比特币， 矿工Alice得到了12.5个比特币的奖励，放在001号交易的“输出”部分。 此时，对于Alice来说，拥有了这12.5个比特币的支配权，这12.5个比特 币的输出可以作为下一笔交易的“输入”，顾名思义，这笔“输出”就称之 为是Alice的未花费输出，也就是Alice的UTXO的意思。

2）002号交易中，Alice转账6比特币到Bob的地址，Alice找到了自己的UTXO（如果Alice不止一笔UTXO，可以根据一定的规则去选用， 比如将小金额的先花费掉）。由于只需要转账6比特币，可是UTXO中 却有12.5个，因此需要找零6.5个到自己的地址中，由此产生了002号中 的交易输出，注意，在002号交易输出中的Alice地址是可以和001号中的 Alice地址不一样的，只要都是属于Alice自己的钱包地址就可以。

3）003号交易中，Bob转账了2比特币到Lily的地址，过程与002号 交易相同，就不再赘述了。