《区块链技术指南》笔记-比特币原理和设计
原理和设计
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。
比特币通过区块链网络提供一个公共可见的记账本，用来记录发生过的交易的历史信息。
每次发生交易，用户需要将交易记录写到比特币区块链网络中，等网络确认后即可认为交易完成。每个交易包括一些输入和一些输出，未经使用的交易的输出(Unspent Transaction Outputs,UTXO)可以被新的交易引用作为合法的输入。
一笔合法的交易，即引用某些已存在交易的UTXO，作为交易的输入，并生成新的输出的过程。
在交易过程中，转账方需要通过签名脚本来证明自己是UTXO的合法使用者，并且指定输出脚本来限制未来对本交易的使用者（为收款方）。对每笔交易，转账方需要进行签名确认。并且，对每一笔交易来说，总输入不能小于总输出。
下图展示了一些简单的示例交易。更一般情况下，交易的输入输出可以为多方。
账户/地址
比特币账户采用了非对称的加密算法，用户自己保留私钥，对他发出的交易进行签名确认，并公开公钥。
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（20字节）的字符串。
一般，也常常对账户地址串进行Base58Check编码，并添加前导字节（表明支持哪种脚本）和4字节校验字节，以提高可读性和准确性。
注：这里账户并非直接是公钥，而是hash后的值，避免公钥过早暴露导致被**出私钥。
交易
交易是完成比特币功能的核心概念，一条交易将可能包括如下信息：
- 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，跟输入的差额为交易的服务费；
- 收款人地址：合法的地址；
- 收款人的公钥：收款人的公钥；
- 时间戳：交易何时能生效。
网络中节点收到交易信息后，将进行如下检查：
- 交易是否已经处理过；
- 交易是否合法。包括地址是否合法、发起交易者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。
脚本
脚本(Script)是保障交易完成（主要用于检验交易是否合法）的核心机制，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。比特币脚本语言是一种非图灵完备的语言，类似Forth语言。
一般每个交易都会包括两个脚本：输出脚本（scriptPubKey）和认领脚本（scriptSig）。
输出脚本一般由付款方对交易设置锁定，用来对能动用这笔交易输出（例如，要花费交易的输出）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。
认领脚本则用来证明自己可以满足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：
- P2PKH：Pay-To-Public-Key-Hash，允许用户将比特币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；
- P2SH：Pay-To-Script-Hash，支付者创建一个输出脚本，里面包含另一个脚本（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；
区块
一个区块将主要包括如下内容：
4字节的区块大小信息；
80字节的区块头信息：
- 版本号：4字节；
- 上一个区块头的SHA256 hash值：链接到一个合法的块上，32字节；
- 包含的所有验证过的交易的Merkle树根的哈希值，32字节；
- 时间戳：4字节；
- 难度指标：4字节；
- Nonce：4字节，PoW问题的答案；
- 交易个数计数器：1~9字节；
- 所有交易的具体内容，可变长。
如何避免作恶
基于经济博弈原理。在一个开放的网络中，无法通过技术手段保证每个人都是合作的。但可以通过经济博弈来让合作者得到利益，让非合作者遭受损失和风险。
设计上，博弈论早已被广泛应用到众多领域。
一个经典的例子是两个人来分一个蛋糕，如果都想拿到较大的一块，在没有第三方的前提下，该怎么制定规则才公平？
最简单的一个方案是负责切蛋糕的人后选。
注：如果推广到N个人呢？
比特币网络需要所有试图参与者（矿工）都首先要付出挖矿的代价，进行算力消耗，越想拿到新区块的决定权，意味着抵押的算力越多。一旦失败，这些算力都会被没收掉，成为沉没成本。当网络总存在众多参与者时，个体试图拿到新区块决定权要付出的算力成本是巨大的，意味着进行一次作恶付出的代价已经超过可能带来的好处。
负反馈调节
比特币网络在设计上，很好的体现了负反馈的控制论基本原理。
比特币网络中矿工越多，系统就越稳定，比特币价值就越高，但挖到矿的概率会降低。
反之，网络中的矿工越少，会让系统更容易导致被攻击，比特币价值越低，但挖到矿的概率会提高。
因此，比特币的价格理论上应该稳定在一个合适的值（网络稳定性也会稳定在相应的值），这个价格乘以挖到矿的概率，恰好达到矿工的收益预期。
从长远角度看，硬件成本是下降的，但每个区块的比特币奖励每隔4年减半，最终将在2140年达到2100万枚，之后将完全依靠交易的服务费来鼓励矿工对网络的维护。
共识机制
传统的共识问题是考虑在一个相对封闭的体系中，存在好节点、坏节点，然后如何达成一致。
对于比特币网络来说，因为它是开放的，网络质量也是完全无法保证的，导致问题更加复杂，难以依靠传统的一致性算法来实现。
比特币网络对共识进行了一系列的放宽，同时对参与共识进行了一系列的限制。
首先是不实现最终共识，理论上现有达成的任何结果都可能被推翻，只是被推翻的可能性随着时间而指数级的下降，要付出的代价迅速上升。
此外，达成共识的时间比较长，而且是按照块来进行阶段性的确认（快照），提高网络可用性。
此外，通过进行PoW限制合法提案的个数，提高网络的稳定性。