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為什么要寫這篇文章？最近看了許多解釋區(qū)塊鏈的文章，發(fā)現(xiàn)很多文章要么過(guò)于概念化或談及一些應(yīng)用前景和行業(yè)判斷，要么又過(guò)于專業(yè)晦澀，使得很多沒有技術(shù)底子的小伙伴難以真正理解區(qū)塊鏈技術(shù)。由于以上的原因，我希望通過(guò)一筆比特幣交易的完整生命周期來(lái)解釋比特幣中的區(qū)塊鏈技術(shù)。在這樣具體流程的場(chǎng)景下，我相信會(huì)更容易理解區(qū)塊鏈。

基本常識(shí)：

• 區(qū)塊鏈不等于比特幣，區(qū)塊鏈只是比特幣系統(tǒng)用來(lái)記錄交易信息的賬簿；
• 比特幣沒有賬戶余額的概念，所有的交易只記錄資金的來(lái)源和去向，所謂賬戶余額是區(qū)塊鏈中計(jì)算出來(lái)的結(jié)果；
• 挖礦獎(jiǎng)勵(lì)是為了維護(hù)整個(gè)系統(tǒng)鼓勵(lì)人們利用自己設(shè)備的算力資源來(lái)共同驗(yàn)證每筆交易的有效性而給予的獎(jiǎng)勵(lì)；

交易的完整過(guò)程：從創(chuàng)建新交易到新區(qū)塊產(chǎn)生

假設(shè)一筆比特幣交易 A 一旦被創(chuàng)建，它的生命周期就開始了。隨后，交易 A 會(huì)被一個(gè)或者多個(gè)簽名加密（這些簽名用來(lái)說(shuō)明交易 A 的資金流向是被資金的擁有者所許可的）。而后，交易 A 被廣播到比特幣網(wǎng)絡(luò)中，最快收到廣播信息的是相鄰的2-3個(gè)節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)都會(huì)參與驗(yàn)證這筆交易，于此同時(shí)將交易在網(wǎng)絡(luò)中再次進(jìn)行廣播，直到這筆交易 A 被網(wǎng)絡(luò)中大多數(shù)節(jié)點(diǎn)（所有下載比特幣客戶端的設(shè)備都有可能成為這樣的節(jié)點(diǎn)）接收。

最終，交易 A 被一個(gè)正在參與挖礦的節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證，交易 A 連同其它一些近期被創(chuàng)建的交易一起被打包到一個(gè)區(qū)塊 B 中，并被添加到區(qū)塊鏈上，這時(shí)整個(gè)區(qū)塊鏈就被延長(zhǎng)并新增了一個(gè)區(qū)塊 B 。區(qū)塊 B 獲得 6 次以上的“確認(rèn)”時(shí)就被認(rèn)為是不可撤銷的，因?yàn)橐蜂N和重建六個(gè)區(qū)塊需要巨量的計(jì)算，交易被打包在一起放進(jìn)區(qū)塊中時(shí)需要極大的計(jì)算量來(lái)證明，但只需少量計(jì)算就能驗(yàn)證它們已被證明。

我們將上面的交易過(guò)程描述簡(jiǎn)單細(xì)分為以下 6 個(gè)步驟：

1. 產(chǎn)生新交易
2. 簽名加密
3. 交易在比特幣網(wǎng)絡(luò)中傳播
4. 整合交易&構(gòu)建新區(qū)塊
5. 挖礦
6. 新區(qū)塊連接到區(qū)塊鏈

接下來(lái)，我們將詳細(xì)分析 6 個(gè)交易步驟中的具體細(xì)節(jié)和所采用到的底層技術(shù)，在解釋每個(gè)步驟和具體的概念時(shí)，我都將舉出適當(dāng)?shù)睦觼?lái)幫助理解，如果依然沒有讀懂，那肯定是你看的太快了……

01 產(chǎn)生新交易

當(dāng)隔壁老王想要將自己錢包中的一個(gè)比特幣轉(zhuǎn)賬給老張時(shí)，這個(gè)交易就被老王的錢包所構(gòu)建了。

將一筆比特幣交易理解成紙質(zhì)支票有助于我們的理解，一筆比特幣交易是一個(gè)有著貨幣轉(zhuǎn)移目的工具， 如同當(dāng)收款人或持票人拿著支票到銀行時(shí)，銀行會(huì)無(wú)條件支付其規(guī)定數(shù)量的金額。并且交易發(fā)起人并不一定是簽署該筆交易的人。

比特幣交易可以被任何人在線上或線下創(chuàng)建，即便創(chuàng)建這筆交易的人不是這個(gè)賬戶的授權(quán)簽字人。就像一家企業(yè)中秘書開出的這張支票（發(fā)起交易），需要等待Boss簽署該筆交易（數(shù)字簽名）。

有以下 4 個(gè)概念需要展開理解，用以更加深入地理解“新交易構(gòu)建”的一些細(xì)節(jié)：

• UTXO
• 交易輸出
• 交易輸入
• 交易費(fèi)

UTXO

UTXO易于理解的說(shuō)就像是賬戶的余額。它是比特幣交易的基本單位，是未經(jīng)使用的一個(gè)交易輸出，Unspent Transaction Output，簡(jiǎn)稱UTXO，“未花費(fèi)的交易輸出”。UTXO不能再分割，1 個(gè)UTXO可以是 1“聰” 的任意倍，就像美元可以被分割成“美分”一樣，“分”就不可以再分割了。UTXO被記錄于區(qū)塊鏈中，比特幣網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)著以百萬(wàn)為單位的所有可用的UTXO。

假設(shè)隔壁老王此時(shí)擁有 1.9 比特幣，當(dāng)隔壁老王接收到 0.1 比特幣時(shí)，這個(gè)金額被當(dāng)作UTXO記錄到區(qū)塊鏈里，現(xiàn)在老王一共擁有的 2 比特幣，同樣都被當(dāng)作UTXO分散到數(shù)百個(gè)交易和數(shù)百個(gè)區(qū)塊中。實(shí)際上，并不存在一個(gè)儲(chǔ)存比特幣的地址或賬戶余額的地方，只有被老王（所有者）鎖住的、分散的UTXO。

因此，“隔壁老王的比特幣余額”這個(gè)概念，是通過(guò)掃描區(qū)塊鏈并聚合所有屬于該用戶的UTXO來(lái)計(jì)算該用戶的余額。

交易的輸出

一筆比特幣交易是一個(gè)含有輸入值和輸出值的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，其中包含了將一筆資金從初始地址（輸入）轉(zhuǎn)移至目標(biāo)地址（輸出）的代碼信息：版本規(guī)則、輸入&其數(shù)量、輸出&其數(shù)量、時(shí)間戳。

每一筆比特幣交易創(chuàng)造輸出，輸出都會(huì)被比特幣賬簿記錄下來(lái)。所有的輸出都能創(chuàng)造一定數(shù)量的可用于支付的比特幣（也就是UTXO）。這些UTXO會(huì)被整個(gè)網(wǎng)絡(luò)所識(shí)別記錄，其所有者可在未來(lái)的交易中使用它們。給隔壁老王發(fā)送比特幣實(shí)際上是創(chuàng)造新的UTXO，并且能被他用于新的支付。

交易的輸入

交易輸入是指向UTXO的指針，當(dāng)用戶付款時(shí)，他的錢包通過(guò)選擇可用的UTXO來(lái)構(gòu)造一筆交易。

例如：隔壁老王想要支付0.015比特幣，他的錢包應(yīng)用會(huì)選擇一個(gè) 0.01 UTXO和一個(gè) 0.005 UTXO，使用它們加在一起來(lái)得到想要的付款金額。

交易費(fèi)

大多數(shù)交易包含交易費(fèi)，這是為了在網(wǎng)絡(luò)安全方面給比特幣礦工一種補(bǔ)償。大多數(shù)錢包自動(dòng)計(jì)算并計(jì)入交易費(fèi)，交易費(fèi)被挖出這個(gè)區(qū)塊的礦工得到，并且記錄在這個(gè)交易的區(qū)塊鏈中。交易的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)沒有交易費(fèi)的字段，意味著你無(wú)法從交易信息中直接看到交易費(fèi)的金額。

例如：隔壁老王想要消費(fèi)支付0.015比特幣，為了自己的交易被礦工優(yōu)先處理，他愿意支付0.001比特幣作為交易費(fèi)，那么老王的錢包至少需要從區(qū)塊鏈記錄中整合至少0.016比特幣的UTXO。假設(shè)他的錢包有一個(gè)0.2比特幣的UTXO可用，那么這筆新的交易就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)0.2比特幣的輸入，和兩個(gè)輸出：一個(gè)是0.015比特幣的消費(fèi)金額被支付給目標(biāo)地址，另一個(gè)0.184比特幣的輸出作為找零支付給老王的錢包地址，其中有0.001比特幣未分配，就是“隱藏的”交易費(fèi)用。

值得說(shuō)明的是：一定要定義清楚0.184比特幣是一個(gè)指向老王自己錢包的輸出，這樣找零才會(huì)有效“退回”給老王的錢包，否則0.184比特幣也都將成為交易費(fèi)，被礦工挖到這份驚喜的“紅包”。

02 簽名加密

一筆比特幣交易一旦被創(chuàng)建，它就會(huì)被資金所有者(可能存在多位所有者)簽名。如果它是合法創(chuàng)建并簽名的，則該筆交易現(xiàn)在就是有效的。它包含資金轉(zhuǎn)移時(shí)所需要的所有信息。用戶的私鑰用于生成支付比特幣所必需的簽名，來(lái)證明資金的所有權(quán)，這樣的簽名加密是為了確保交易內(nèi)容不被篡改。這和前面介紹的紙質(zhì)支票的授權(quán)簽字效果相同。

網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)收到交易信息后，會(huì)對(duì)交易的合法性進(jìn)行檢查，資金所有者的簽名加密是重要的驗(yàn)證依據(jù)，檢查都通過(guò)后，則將交易標(biāo)記為合法的未確認(rèn)交易，才會(huì)在網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行廣播。

有以下 4 個(gè)概念需要展開理解，用以更加深入的理解“簽名加密”的一些細(xì)節(jié)：

• 私鑰
• 公鑰
• 錢包
• 交易腳本

私鑰

一個(gè)比特幣錢包中包含一系列的密鑰對(duì)，每個(gè)密鑰對(duì)包括一個(gè)私鑰和一個(gè)公鑰。私鑰是一個(gè)數(shù)字，通常是隨機(jī)產(chǎn)生的。一個(gè)比特幣地址中的所有資金的控制取決于相應(yīng)私鑰的所有權(quán)和控制權(quán)。私鑰必須保密，因?yàn)橐坏┍恍孤?，相?dāng)于該私鑰保護(hù)下比特幣也就丟失了。

通過(guò)在一個(gè)密碼學(xué)安全的隨機(jī)源中取出一串隨機(jī)字節(jié)，對(duì)其使用SHA256哈希算法進(jìn)行運(yùn)算，生成了一個(gè)256位的數(shù)字，這樣的一個(gè)數(shù)字就可以作為私鑰。以十六進(jìn)制格式表示一個(gè)隨機(jī)生成的私鑰，即：

1E99423A4ED27608A15A2616A2B0E9E52CED330AC530EDCC32C8FFC6A526AEDD

公鑰

通過(guò)橢圓曲線算法可以從私鑰計(jì)算得到公鑰，這是不可逆轉(zhuǎn)的過(guò)程。由公鑰經(jīng)過(guò)單向的加密哈希算法生成的比特幣地址以數(shù)字“1”開頭，在交易中比特幣地址就是收款人的地址。

錢包

比特幣錢包是私鑰的容器，錢包只包含私鑰而不是比特幣，每一個(gè)用戶有一個(gè)包含多個(gè)私鑰的錢包。錢包中包含成對(duì)的私鑰和公鑰，用戶用這些私鑰來(lái)簽名交易。

其中一種常見且典型的錢包就是使用“助記碼詞匯”做為種子，而生成私鑰的錢包。這樣的單詞的序列可以重新創(chuàng)建種子，并重新創(chuàng)造錢包以及所有私鑰。在首次創(chuàng)建錢包時(shí)，帶有助記碼的錢包應(yīng)用程序?qū)?huì)向使用者生成一個(gè)12至24個(gè)單詞，單詞的順序就是錢包的備份。

交易腳本

交易腳本是檢驗(yàn)交易是否合法的核心機(jī)制。一般每個(gè)交易都會(huì)包括兩個(gè)腳本：輸出腳本，scriptPubKey和輸入腳本，scriptSig。

輸出腳本一般由付款方對(duì)交易設(shè)置鎖定，用來(lái)對(duì)收款方進(jìn)行權(quán)限控制，例如限制必須是某個(gè)公鑰 (比特幣地址) 的擁有者才能花費(fèi)這筆交易。

輸入腳本 (簽名腳本) 常常含有一個(gè)被用戶的私鑰生成的數(shù)字簽名，用來(lái)證明自己可以滿足交易輸出腳本的鎖定條件，即對(duì)某筆交易中比特幣資金的擁有權(quán)。

值得注意的是：比特幣交易的輸入和輸出并非只是簡(jiǎn)單對(duì)應(yīng)了付款人的私鑰和收款人的公鑰地址，而是還包含了更多的內(nèi)容，通過(guò)腳本可以直接驗(yàn)證交易的有效性，并且實(shí)現(xiàn)了更多復(fù)雜的交易方式，比如“多重簽名腳本”，保證只有自己和第三方錢包共同簽名后才可動(dòng)用輸出，這樣保證了黑客在攻擊了第三方錢包后也無(wú)法花掉用戶的比特幣。

03 交易在比特幣網(wǎng)絡(luò)中傳播

一筆交易需要傳遞至比特幣網(wǎng)絡(luò)，才能被傳播，也才能加入?yún)^(qū)塊鏈中。一筆比特幣交易只是300到400字節(jié)的數(shù)據(jù)，一旦交易被發(fā)送到任意一個(gè)連接至比特幣網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)，這筆交易將會(huì)被該節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證。如果交易被驗(yàn)證有效，該節(jié)點(diǎn)將會(huì)將這筆交易傳播到這個(gè)節(jié)點(diǎn)所連接的其他節(jié)點(diǎn)。

無(wú)論交易是否被節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證有效，交易發(fā)起者會(huì)收到一條回執(zhí)消息，包含了此筆交易是否被接受的返回信息。在幾秒鐘之內(nèi)，一筆有效的交易就會(huì)呈指數(shù)級(jí)擴(kuò)散的效率在網(wǎng)絡(luò)中傳播，直到所有連接到網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)都接收到它。

值得注意的是：每一個(gè)節(jié)點(diǎn)在傳播每一筆交易之前均進(jìn)行獨(dú)立驗(yàn)證。因此，一個(gè)異常交易所能到達(dá)的節(jié)點(diǎn)不會(huì)超過(guò)一個(gè)。所以，比特幣網(wǎng)絡(luò)能有效抵御入侵，避免垃圾信息的濫發(fā)和有效拒絕服務(wù)攻擊。

有以下 4 個(gè)概念需要展開理解，用以更加深入的理解“交易傳播”的一些細(xì)節(jié)：

• 客戶端
• 完整節(jié)點(diǎn)
• 輕量節(jié)點(diǎn) (SPV) 節(jié)點(diǎn)
• 挖礦節(jié)點(diǎn)

客戶端

bitcoin.org可以下載標(biāo)準(zhǔn)客戶端，即比特幣核心，也叫“中本聰客戶端”（satoshi client）。它包括了比特幣系統(tǒng)的所有內(nèi)容：錢包功能、整個(gè)交易賬簿（區(qū)塊鏈）的完整拷貝、交易確認(rèn)引擎，P2P比特幣網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)完整網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。

完整節(jié)點(diǎn)

保有一份完整的、最新的區(qū)塊鏈拷貝的節(jié)點(diǎn)被稱為“完整節(jié)點(diǎn)”。完整節(jié)點(diǎn)能夠獨(dú)立自主地校驗(yàn)所有交易， 而不需借由任何外部參照。

輕量節(jié)點(diǎn) / SPV節(jié)點(diǎn)

只保留了區(qū)塊鏈的一部分，通過(guò)一種名為“簡(jiǎn)易支付驗(yàn)證（SPV）”的方式來(lái)完成交易驗(yàn)證的節(jié)點(diǎn)被稱為“SPV節(jié)點(diǎn)”， 又叫“輕量節(jié)點(diǎn)”。越來(lái)越多的用戶錢包都是SPV節(jié)點(diǎn)，尤其是運(yùn)行于智能手機(jī)等資源受限設(shè)備上，這些設(shè)備沒有空間存儲(chǔ)完整的 150G 大小的區(qū)塊鏈。

挖礦節(jié)點(diǎn)

挖礦節(jié)點(diǎn)通過(guò)運(yùn)行在特殊硬件設(shè)備上的工作量證明算法，以相互競(jìng)爭(zhēng)的方式創(chuàng)建新的區(qū)塊。一些挖礦節(jié)點(diǎn)同時(shí)也是全節(jié)點(diǎn)，保有區(qū)塊鏈的完整拷貝；還有一些參與礦池挖礦的節(jié)點(diǎn)是輕量級(jí)節(jié)點(diǎn)，它們必須依賴礦池服務(wù)器維護(hù)的全節(jié)點(diǎn)進(jìn)行工作。

04 整合交易&構(gòu)建新區(qū)塊

驗(yàn)證交易后，每個(gè)比特幣網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)會(huì)將這些交易添加到自己的內(nèi)存池中，內(nèi)存池也稱作交易池，用來(lái)暫存尚未被加入到區(qū)塊的交易記錄。而挖礦節(jié)點(diǎn)除了收集和驗(yàn)證交易以外，還會(huì)將這些交易打包到一個(gè)候選的區(qū)塊中。

挖礦節(jié)點(diǎn)需要為內(nèi)存池中的每筆交易分配一個(gè)優(yōu)先級(jí)，并選擇較高優(yōu)先級(jí)的交易記錄來(lái)構(gòu)建候選區(qū)塊，在區(qū)塊被填滿后，內(nèi)存池中的剩余交易會(huì)成為下一個(gè)區(qū)塊的候選交易。例如，一個(gè)挖礦節(jié)點(diǎn)從內(nèi)存池中整合到了全部的交易，新的候選區(qū)塊包含有418筆交易，總的礦工費(fèi)為0.09094925個(gè)比特幣。

現(xiàn)在既然創(chuàng)建好了一個(gè)包含418筆交易的候選區(qū)塊，挖礦節(jié)點(diǎn)就準(zhǔn)備拿它來(lái)挖礦。

有以下 4 個(gè)概念需要展開理解，用以更加深入的理解“整合交易”的一些細(xì)節(jié)：

• 臨時(shí)未驗(yàn)證的交易池
• 交易優(yōu)先級(jí)
• 區(qū)塊結(jié)構(gòu)
• 礦池

臨時(shí)未驗(yàn)證的交易池

比特幣網(wǎng)絡(luò)中幾乎每個(gè)節(jié)點(diǎn)都會(huì)維護(hù)一份未確認(rèn)交易的臨時(shí)列表，被稱為內(nèi)存池或交易池。節(jié)點(diǎn)們利用這個(gè)池來(lái)追蹤記錄那些被網(wǎng)絡(luò)所知曉但還未被區(qū)塊鏈所包含的交易。交易池是存儲(chǔ)在本地內(nèi)存中，并不是存儲(chǔ)在硬盤里，因此不同節(jié)點(diǎn)的兩池內(nèi)容可能有很大差別。

交易優(yōu)先級(jí)

挖礦節(jié)點(diǎn)需要為內(nèi)存池中的每筆交易分配一個(gè)優(yōu)先級(jí)，并選擇較高優(yōu)先級(jí)的交易記錄來(lái)構(gòu)建候選區(qū)塊。交易的優(yōu)先級(jí)是由交易輸入所花費(fèi)的UTXO的交易創(chuàng)建時(shí)間決定，交易輸入值高且創(chuàng)建時(shí)間較早的交易比那些較新且輸入值小的交易擁有更高的優(yōu)先級(jí)。

區(qū)塊中用來(lái)存儲(chǔ)交易的前50K字節(jié)是保留給較高優(yōu)先級(jí)交易的，如果區(qū)塊中有足夠的空間，高優(yōu)先級(jí)的交易行為將不需要礦工費(fèi)。礦工費(fèi)越高，交易被處理的優(yōu)先級(jí)也越高。

區(qū)塊結(jié)構(gòu)

區(qū)塊是一種聚合了交易信息容器的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。由區(qū)塊頭和區(qū)塊主體組成，區(qū)塊頭是80字節(jié)，而平均每個(gè)交易至少是250字節(jié)，而且平均每個(gè)區(qū)塊至少包含超過(guò)500個(gè)交易。

區(qū)塊頭包含三組元數(shù)據(jù)：

1. 用于連接前面的區(qū)塊、索引自父區(qū)塊哈希值的數(shù)據(jù)；
2. 挖礦難度、Nonce（用于工作量證明算法的計(jì)數(shù)器）、時(shí)間戳；
3. 能夠總結(jié)并快速歸納校驗(yàn)區(qū)塊中所有交易數(shù)據(jù)的Merkle（默克爾）樹根數(shù)據(jù)。

礦池

改變了原來(lái)挖礦獎(jiǎng)勵(lì)由一個(gè)勝出礦工獨(dú)自獲得的狀態(tài)，采用團(tuán)隊(duì)協(xié)作方式來(lái)集中算力進(jìn)行挖礦，對(duì)產(chǎn)出的數(shù)字貨幣按照算力進(jìn)行分配。

采礦成為一項(xiàng)團(tuán)隊(duì)運(yùn)動(dòng)，一群礦工于2010年12月16日一起在slush礦池挖出了它的第一個(gè)區(qū)塊。根據(jù)其所貢獻(xiàn)的工作量，每位礦工都獲得了相應(yīng)的報(bào)酬。此后的兩個(gè)月間，slush礦池的算力從1 400Mhash/s增長(zhǎng)到了60Ghash/s。

05 挖礦

現(xiàn)在既然已經(jīng)創(chuàng)建好了一個(gè)候選區(qū)塊，挖礦節(jié)點(diǎn)就準(zhǔn)備拿它來(lái)挖礦。礦工們爭(zhēng)相完成一種基于加密哈希算法的數(shù)學(xué)難題，獲勝者有權(quán)在區(qū)塊鏈上進(jìn)行交易記錄并得到獎(jiǎng)勵(lì)。每 10 分鐘左右生成一個(gè)不超過(guò) 1 MB 大小的新區(qū)塊，這個(gè)區(qū)塊記錄了這 10 分鐘內(nèi)發(fā)生并驗(yàn)證過(guò)的交易內(nèi)容。礦工們?cè)谕诘V過(guò)程中會(huì)得到兩種類型的獎(jiǎng)勵(lì)：創(chuàng)建新區(qū)塊的新幣獎(jiǎng)勵(lì)，以及區(qū)塊中所含交易的交易費(fèi)。

一旦某一個(gè)挖礦節(jié)點(diǎn)在算力競(jìng)爭(zhēng)中勝出，優(yōu)先得到了數(shù)學(xué)難題的答案，會(huì)立刻將這個(gè)區(qū)塊發(fā)給它的所有相鄰節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)在接收并獨(dú)立驗(yàn)證這個(gè)新區(qū)塊后，也會(huì)繼續(xù)傳播此區(qū)塊，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都會(huì)將它作為新區(qū)塊加到自身節(jié)點(diǎn)的區(qū)塊鏈副本中。

有以下 3 個(gè)概念需要展開理解，用以更加深入的理解“確認(rèn)交易”的一些細(xì)節(jié)：

• 工作量證明
• 創(chuàng)幣交易
• Coinbase獎(jiǎng)勵(lì)和礦工費(fèi)

工作量證明

Proof of Work，通過(guò)計(jì)算來(lái)猜測(cè)一個(gè)數(shù)值（nonce）。具體到比特幣，礦工必須要在滿足全網(wǎng)目標(biāo)難度的情況下求解SHA256算法。優(yōu)先完成工作量證明的礦工可以獲得比特幣獎(jiǎng)勵(lì)。保證在一段時(shí)間內(nèi)，系統(tǒng)中只能出現(xiàn)少數(shù)合法提案。

哈希問(wèn)題具有不可逆的特點(diǎn)，只有通過(guò)暴力計(jì)算找到問(wèn)題的答案。一旦獲得符合要求的nonce，說(shuō)明在概率上是付出了對(duì)應(yīng)的算力。誰(shuí)的算力多，誰(shuí)最先解決問(wèn)題的概率就越大。

創(chuàng)幣交易

區(qū)塊中的第一筆交易是筆特殊交易，稱為創(chuàng)幣交易或者Coinbase交易，這個(gè)交易是挖礦節(jié)點(diǎn)構(gòu)造并用來(lái)獎(jiǎng)勵(lì)礦工們所做的貢獻(xiàn)的。

• 創(chuàng)幣交易的輸入：創(chuàng)幣交易于其他交易的不同點(diǎn)在于其交易輸入沒有UTXO，也沒有“輸入腳本”。這個(gè)字段被Coinbase數(shù)據(jù)替代，除開始的幾個(gè)字節(jié)外，礦工可以任意使用Coinbase的其他部分，隨意填充任何數(shù)據(jù)。因此，中本聰在創(chuàng)世區(qū)塊的Coinbase中填入了這樣的數(shù)據(jù) “The Times 03/Jan/ 2009 Chancellor on brink of secondbailout for banks”。
• 創(chuàng)幣交易的輸出：由挖礦勝出的礦工構(gòu)建并將創(chuàng)幣獎(jiǎng)勵(lì)和礦工費(fèi)一起支付給了自己的比特幣錢包地址。

Coinbase獎(jiǎng)勵(lì)和礦工費(fèi)

礦工們?cè)谕诘V過(guò)程中會(huì)得到兩種類型的獎(jiǎng)勵(lì)：創(chuàng)建新區(qū)塊的新幣獎(jiǎng)勵(lì)，以及區(qū)塊中所含交易的交易費(fèi)。比特幣的貨幣是通過(guò)挖礦發(fā)行的，大約每四年減少一半。2009年1月每個(gè)區(qū)塊獎(jiǎng)勵(lì)50個(gè)比特幣，到2012年11月減半為每個(gè)區(qū)塊獎(jiǎng)勵(lì)25個(gè)比特幣，現(xiàn)在每個(gè)新區(qū)塊獎(jiǎng)勵(lì)12.5個(gè)比特幣。比特幣挖礦獎(jiǎng)勵(lì)以指數(shù)方式遞減，直到2140年所有的比特幣全部發(fā)行完畢，不會(huì)再有新的比特幣產(chǎn)生。

例如：隔壁老王的挖礦節(jié)點(diǎn)構(gòu)造了一個(gè)創(chuàng)幣交易，支付給自己12.59094928枚比特幣，其中12.5個(gè)比特幣是Coinbase獎(jiǎng)勵(lì)，0.09094928比特幣是礦工費(fèi)。

06 新區(qū)塊連接到區(qū)塊鏈

比特幣交易生命周期的最后一步是將新區(qū)塊連接至有最大工作量證明的鏈中。一個(gè)節(jié)點(diǎn)一旦驗(yàn)證了一個(gè)新的區(qū)塊，它將嘗試將新的區(qū)塊連接到到現(xiàn)存的區(qū)塊鏈組裝起來(lái)。

節(jié)點(diǎn)維護(hù)三種區(qū)塊：第一種是連接到主鏈上的區(qū)塊，第二種是從主鏈上產(chǎn)生分支的（備用鏈）區(qū)塊 ，最后一種是在已知鏈中沒有找到已知父區(qū)塊的。在驗(yàn)證過(guò)程中，一旦發(fā)現(xiàn)有不符合標(biāo)準(zhǔn)的地方，驗(yàn)證就會(huì)失敗，區(qū)塊會(huì)被節(jié)點(diǎn)拒絕并不會(huì)加入到任何一條鏈中。

如果節(jié)點(diǎn)收到了一個(gè)有效的區(qū)塊，而在現(xiàn)有的區(qū)塊鏈中卻未找到它的父區(qū)塊，那么這個(gè)區(qū)塊被認(rèn)為是“孤塊”。孤塊會(huì)被保存在孤塊池中，直到它們的父區(qū)塊被節(jié)點(diǎn)收到。

每一個(gè)節(jié)點(diǎn)總是選擇并嘗試延長(zhǎng)代表累計(jì)了最大工作量證明的區(qū)塊鏈，也就是最長(zhǎng)的或最大累計(jì)難度的鏈，只要所有的節(jié)點(diǎn)選擇最長(zhǎng)累計(jì)難度的區(qū)塊鏈，整個(gè)比特幣網(wǎng)絡(luò)最終會(huì)收斂到一致的狀態(tài)。

有以下 4 個(gè)概念需要展開理解，用以更加深入的理解“新區(qū)塊連接到鏈”的一些細(xì)節(jié)：

• 創(chuàng)世區(qū)塊
• 難度目標(biāo)與難度調(diào)整
• 區(qū)塊鏈的分叉
• 區(qū)塊瀏覽器

創(chuàng)世區(qū)塊

區(qū)塊鏈里的第一個(gè)區(qū)塊創(chuàng)建于2009年，被稱為創(chuàng)世區(qū)塊。它是區(qū)塊鏈里面所有區(qū)塊的共同祖先，這意味著你從任一區(qū)塊，循鏈向后回溯，最終都將到達(dá)創(chuàng)世區(qū)塊。

創(chuàng)世區(qū)塊的哈希值為：000000000019d6689c085ae165831e934ff763ae46a2a6c172b3f1b60a8ce26f

在區(qū)塊瀏覽網(wǎng)站 (blockchain.info) 搜索這個(gè)區(qū)塊哈希值，你會(huì)發(fā)現(xiàn)這個(gè)哈希值來(lái)描述這一區(qū)塊內(nèi)容的頁(yè)面：

難度目標(biāo)與難度調(diào)整

比特幣的區(qū)塊平均每10分鐘生成一個(gè)。這就是比特幣貨幣發(fā)行速率和交易達(dá)成速度的基礎(chǔ)，必須始終保持恒定。隨著技術(shù)發(fā)展，計(jì)算機(jī)性能將飛速提升。此外，參與挖礦的人和計(jì)算機(jī)也會(huì)不斷變化。為了能讓新區(qū)塊的保持10分鐘一個(gè)的產(chǎn)生速率，挖礦的難度必須根據(jù)這些變化進(jìn)行調(diào)整。

2009年12月30日，比特幣挖礦難度首次增長(zhǎng)。尋找一個(gè)比特幣區(qū)塊需要整個(gè)網(wǎng)絡(luò)花費(fèi)10分鐘來(lái)處理，每發(fā)現(xiàn)2,016個(gè)區(qū)塊時(shí)會(huì)根據(jù)前2,016個(gè)區(qū)塊完成的時(shí)間對(duì)難度進(jìn)行調(diào)整。

New Difficulty = Old Difficulty * (Actual Time of Last 2016 Blocks / 20160 minutes)

區(qū)塊鏈的分叉

分叉發(fā)生在兩名礦工在較短的時(shí)間內(nèi)，各自都算得了工作量證明解的時(shí)候。兩個(gè)礦工在各自的候選區(qū)塊一發(fā)現(xiàn)解，便立即傳播自己的“獲勝”區(qū)塊到網(wǎng)絡(luò)中，先是傳播給鄰近的節(jié)點(diǎn)而后傳播到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。

由于每個(gè)礦工的區(qū)塊數(shù)據(jù)都不一樣，所以他們解題得出的結(jié)果也是不一樣的，都是正確答案，只是區(qū)塊不同。區(qū)塊鏈在這個(gè)時(shí)刻，出現(xiàn)了兩個(gè)都滿足要求的不同區(qū)塊。不同的礦工看到這兩個(gè)區(qū)塊是有先后順序的，通常情況下，礦工們會(huì)把自己先看到的區(qū)塊復(fù)制過(guò)來(lái)，然后接著在這個(gè)區(qū)塊開始新的挖礦工作。這時(shí)分叉就產(chǎn)生了。

從分叉的區(qū)塊起，由于分叉的鏈上礦工的數(shù)量不同，因此算力也有差別，兩條鏈的增長(zhǎng)速度也是不一樣的，總有一條鏈的長(zhǎng)度要超過(guò)另一條。當(dāng)?shù)V工發(fā)現(xiàn)全網(wǎng)有一條更長(zhǎng)的鏈時(shí)，他就會(huì)拋棄他當(dāng)前分叉的鏈，而繼續(xù)在更長(zhǎng)的主鏈上進(jìn)行挖礦工作。

區(qū)塊瀏覽器

用戶想要瀏覽區(qū)塊鏈信息，就得用區(qū)塊鏈瀏覽器。每一個(gè)區(qū)塊所記載的內(nèi)容都可以從區(qū)塊鏈瀏覽器上進(jìn)行查閱。區(qū)塊鏈瀏覽器可以說(shuō)是區(qū)塊鏈信息瀏覽的主要窗口。

以太坊的區(qū)塊瀏覽器如下圖所示：

總結(jié)

比特幣挖礦通過(guò)人性解決了區(qū)塊鏈的維護(hù)問(wèn)題，這也解釋了比特幣系統(tǒng)為什么能穩(wěn)定運(yùn)行了8年，也使得比特幣成為區(qū)塊鏈技術(shù)如此眾多的應(yīng)用中生命力最為旺盛的一個(gè)?！爸斜韭敗睂?duì)于人性的利用，讓人們?cè)跒楂@得利益的挖礦中，維持著這個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)。但礦機(jī)的出現(xiàn)使得比特幣的去中心化并不完美，所以對(duì)于比特幣的創(chuàng)新和改進(jìn)也從未停止，想了解更多，可以閱讀我的上一篇文章《一篇文章，看透500多種數(shù)字貨幣哪些是真正有價(jià)值的技術(shù)創(chuàng)新》，介紹了如何進(jìn)一步解決礦機(jī)對(duì)整個(gè)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)的影響。

深度理解區(qū)塊鏈技術(shù)

感興趣的同學(xué)可以進(jìn)一步擴(kuò)展閱讀：

• 什么是橢圓曲線加密算法（secp256k1）?
• 什么是SHA256和RIPEMD160？
• 什么是P2SH (Pay-to-Script Hash)和多重簽名地址？
• 什么是交易腳本，P2PKH（ Pay-to-Public-Key-Hash）交易？
• 什么是Merkle樹和簡(jiǎn)單支付驗(yàn)證（SPV）？

對(duì)于區(qū)塊鏈深度的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法不在此繼續(xù)贅述了，歡迎關(guān)注“區(qū)塊鏈老垚”，天天分享區(qū)塊鏈。

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