（自己学习中的一些笔记 有参考大佬的播客）
https://blog.csdn.net/Mu_Xiaoye/article/details/104299664
1、 简介
区块链!=比特币。区块链技术是从比特币中抽象提取出来的，比特币是基于区块链这一技术的一种加密货币，并且一直在没有任何中心化机构运营和管理的情况下运行。
2、 特征
区块链的存储是一种链式存储，区块按照生成的时间顺序前后连接，区块的链接基于区块存储内容的哈希值构建。
区块生成后，会在区块链系统的各个节点中同步，各个节点（全节点）最终均保存了一份完整且一致的数据。
区块链系统会保持最终一致性，但不保证实时一致性。
比特币系统理论上不支持数据的删除与修改。（数据的删除和修改意味着其修改所在的区块的哈希值也需要修改，而区块之后的所有区块的前向链接哈希值均需要改变）
3、 密码学基础
1） cryptographic hash function（哈希）
用到的主要性质
- a) collision resistance（抗碰撞性）
给定x和y，且有x!=y，但给定一个哈希函数Hash(),可以得到Hash(x)=Hash(y)，则称为hash碰撞。
如果有Hash(x)!=Hash(y)，必然可以得到x!=y - b) hiding（单向计算）
给定x和Hash(),可以很容易得到Hash(x),但没有办法在已知Hash(x)和Hash()的情况下，反推出x的具体取值 - c) Puzzle friendly 哈希值计算事先不可预测，仅仅根据输入很难预测出输出。
比特币使用的是SHA-256（Secure Hash Algorithm）哈希函数。
2） 签名
- a) 使用非对称密钥加密体系，签名时使用私钥，验证签名时使用公钥
- b) 比特币系统一般先对一个message取一个哈希，然后再对哈希值签名
- c) 用户注册：
（在第三方中心化系统中，账户开通依赖于第三方。但去中心化的比特币系统中，很明显不能进行“申请账户”。）
在比特币系统中，申请账户是用户自己来处理的，即自己创建一个公钥-私钥对 - d）
在发布交易时，通过自己私钥签名，其他人可以根据公钥进行验证，从而保证该交易由自己发起。也就是说，只有拥有私钥，才能将该账户中的比特币转走
4、 比特币的数据结构
1、 想要破坏区块链完整性比较困难。
2、 Header 和 body
a) BlockHeader
1） Version(版本协议)
2） Hash of previous block header（前一个区块的哈希值）
3） Merkle root hash（交易列表的Merkle树根节点哈希值）
i. 保证block body内容不被篡改
4） Time（时间戳）
5） target（挖矿难度目标阈值）
i. 挖矿求解问题：Hash（block header）<=target
6） nonce（随机数）
i. 挖坑是不断调整nonce值进行的，
b) BlockBody：主要存储交易列表
1） 交易内容包括：
i. Time（时间戳）
ii. 公钥
iii. 签名
iv. 该交易的哈希值
v. 交易金额
vi. 地址
vii. 等等等
2） 使用各个交易的哈希值构建Merkle Hash Tree，生成的Merkle root hash保存到区块块头中
3、 全节点与轻节点
（因为硬件的局限。一个区块大小为1MB，对于某些用户来说，如果存储区块的所有内容，则所需空间过大，而这是不现实的。所以轻节点只需要存储区块块头信息，全节点存储区块所有内容即可。）
1） 全节点：保存整个区块所有内容
2） 轻节点：仅存储区块块头信息
a) 只利用区块链进行交易，但并不参与区块链系统维护和构造
b) 全节点可以向轻节点提供交易存在证明（向轻节点证明某条交易是否被写入区块链）
4、 Merkle Tree
1） 同一个区块中的数据块，通过Merkle Tree的形式组织在一起
2） 优点：只需要记住Merkle root hash（根哈希值），便可以检测出对树中任何部位的修改。
5、 共识协议
1） 数字货币中经常出现的问题
a) 数字货币和纸质货币区别是可以复制，叫作双花攻击 即double spending attack
i. 数字货币本身为带有签名的数据文件，可以进行复制。即：对用户来说，可以将同一货币花费两次。
2） 去中心化货币要解决两个问题
a) 数字货币的发行（由谁发行，如何发行，发行多少，什么时候发行）
i. 比特币系统中由挖矿来决定货币发行权和发行量。
b) 怎么验证交易的有效性（防止double spending sttack）
i. 依靠区块链维护的数据结构，记录货币的是否被使用。
举例：
a) 假设A获得铸币权，新发布了十个比特币（铸币交易）
b) A将10个比特币分别转给了B,C，它们各五个，并对该交易进行签名，同时需要说明所花掉的10个比特币的来源。
c) 随后，B将5个比特币分别转给C，D，它也需要对交易进行签名，并说明5个比特币的来源。
注：
a) 这里有两种哈希指针，一种指向前面的区块，使得各个区块形成链。第二张是为了说明比特币的来源，说明比特币的来源并非凭空捏造，可以防止双花攻击
b) 交易时，需要付款人的签名和收款人的地址（收款人的公钥的哈希）。
c) 收款方需知道付款方的公钥，从而来验证付款方的签名是否有效（实际上其他节点都需要知道付款方公钥，验证交易合法性）
d) 在该图中，一个区块仅含有一个交易，实际中一个区块中包含多个交易，交易通过Markle Tree组织起来，在区块中存储。
3） 比特币共识协议
各个节点独立打包交易，形成区块链，必然无法避免区块链内容不一致。从分布式系统角度来说，账本内容需要取得分布式共识，从而保证区块链内容在不同节点上的一致性。
背景：假设系统中存在部分节点有恶意，但存在比例较小。大多数节点为“好”的节点，在这种情况下进行共识协议设置。
想法1：直接投票
某个节点打包交易到区块，将其发给其他节点，其他节点检查该候选区块，检查若正确投赞成票，若票数过半数，加入区块链。
存在的问题1——恶意节点不断打包不合法区块，导致一直无法达成共识，时间全花费在投票上。
存在的问题2——无强迫投票手段，某些节点不投票（行政不作为）。
存在的问题3——网络延迟事先未知，投票需要等多久？效率上会产生问题。
更大的一个问题——membership。如果是联盟链，对加入成员有要求，可以基于投票。但比特币系统，任何人都可以加入，且创建账户及其简单，只需要本地产生公私钥对即可。只有转账（交易）时候,比特币系统才能知道该账户的存在。这样，黑客可以使用计算机专门生成大量公私钥对，当其产生大量公私钥对超过系统中一半数目，就可以获得支配地位（女巫攻击）。所以，这种简单的投票方案也是不可行的。
比特币账户巧妙的解决了这个问题，不是按照账户数目投票，而是按照计算力（算力可以用每秒能试多少nonce数值表示）来投票。每个节点都可以在本地组装出一个候选区块，把它认为合法的交易放在里面，然后开始尝试各种nonce值(占4 byte)，看哪一个能满足不等式H(block header)≤target的要求。如果某个节点找到了符合要求的nonce，它就获得了记账权。
所谓的记账权，就是往比特币账本里写入下一个区块的权利。只有找到这个nonce，获得记账权的节点才有权利发布下一个区块。其他节点收到这个区块之后，要验证这个区块的合法性。
比如括号里block header的内容填的对不对；block header里面有一个域，叫nBits域，实际上它是目标阈值的一个编码。检查一下nBits域设置的是不是符合比特币协议中规定的难度要求；该不等式是否成立。假设都符合要求，然后检查block body 里面的交易列表，验证一下每个交易都是合法的:①要有合法的签名②以前没有被花过。如果有一项不符合要求，这个区块就是不能被接受的。如果所有条件都符合，也不一定接受。
A．合法的区块会被拒绝吗？
如图所示。发生分叉的情况下，暂时保存分叉情况，但区块链只承认最长合法链，随着时间推移，必然存在某一条链变成最长合法链。这样，也就会导致合法区块被拒绝。
B．分叉攻击
如图所示，A用户对上面的A转账给B的记录回滚，从而非法获取利益。在两条链上，发现交易都合法。这是一个典型的双花攻击。A给B转账后，用分叉攻击将钱又转回来，覆盖掉原来的记录。
在比特币系统中，这种情况实际上很难发生。因为大多数矿工认可的是最长的合法链，会沿着上面的链继续挖下去。而A这个攻击者要想回退记录，就必须使得下面的链变得比上面的链还长。理论上来说，攻击者需要达到整个系统中51%的计算力，才能使得这种攻击成功。
此外，区块链正常运行场景下，也可能会发生分叉。当两个节点同时获得记账权时，会有两个等长的合法链。在缺省情况下，节点接收最先听到的区块，该节点会沿着该区块继续延续。但随着时间延续，必然有一个链胜出，由此保证了区块链的一致性。（被扔掉的区块称为“孤儿区块”）
4） 比特币激励机制
为什么系统中节点要竞争记账权？需要提供计算力和电力成本，节点为什么要去做？
比特币系统设计之初便考虑到了这个问题，那就是引入激励机制。比特币通过设置区块奖励来解决该问题，一个获得合法区块的节点，可以在区块中加入一个特殊交易（铸币交易）。事实上，这种方式也是唯一一个产生新比特币的途径。
比特币系统设计规定，起初每个区块可以获得50个比特币，但之后每隔21万个区块，奖励减半。
为了避免节点只想发布区块而不想打包交易，中本聪在设计该系统时，引入了交易费。在一个区块中，其输入>=输出，差值便是给区块所属节点的手续费
6、 系统实现
区块链是一个去中心化的账本，比特币采用了基于交易的账本模式。系统中并没有显示记录账户包含的比特币数，实际上它需要通过交易记录进行推算。
- 在比特币系统中，全节点需要维护一个名为 UTXO(Unspent Transaction Output尚未被花掉的交易输出) 的数据结构。
如图，A转给B 5个BTC，转给C 3个BTC，B将5个BTC花掉，则该交易记录不保存在UTXO中，C没有花掉，则该交易记录保存在UTXO中
UTXO集合中每个元素要给出产生这个输出的交易的哈希值，以及其在交易中是第几个输出。通过这两个信息，便可以定位到UTXO中的输出.
为什么要维护这样一个数据结构？？？
为了防范“双花攻击”，判断一个交易是否合法，要查一下想要花掉的BTC是否在该集合中，只有在集合中才是合法的。如果想要花掉的BTC不在UTXO中，那么说明这个BTC要么根本不存在，要么已经被花过。所以，全节点需要在内存中维护一个UTXO，从而便于快速检测double spending（双花攻击）。
2）BTC系统中具体的区块信息
7、 挖坑算法和难度调整
比特币争夺记账权的过程叫作挖矿(mining)
1）block header的代码中实现的数据结构
可以看到，nonce是一个32位的无符号整型数据，在挖矿时候是通过不断调整nonce进行的，但可以看到，nonce的取值最多为2^32 (2的32次方)种。但并非将这些nonce全部遍历一遍，就一定能找到符合要求的nonce。由于近年来，挖矿人员越来越多，挖矿难度已经调整的比较大了，而2^32这一搜索空间太小，所以仅调整nonce很大可能找不到正确的结果。
挖矿时只改随机数不够，还可以更改根哈希值。
铸币交易没有输入，它有一个coinbase，可以写入任何的内容。也可以把digital commitment里的commit的哈希值写入里面。也可以把第一节讲到的预测股市的内容写入里面，coinbase的内容是没有人会检查的，甚至可以写你的心情。
对应的是最后一个block header里的根哈希值对应的merkle tree，左下角的交易是coinbase，把它的域改了之后，其上的哈希值就发生了变化，然后沿着merkle tree的结构往上传递。最后导致block header里的根哈希值发生变化(merkle root是block header的一部分)。块头里4个字节的nonce不够用，还有其他字节可以用，比如coinbase域的前八个字节当做extra nonce来用，这样子搜索空间就增大到了2的96次方。
所以真正挖矿的时候只有两层循环，外层循环调整coinbase域的extra nonce。算出block header里的根哈希值之后，内层循环再调整header里的nonce。
2）挖矿难度调整
区块链的出块时间保持平均在10min左右，随着挖矿人数的增加，系统总算力不断增强，挖矿难度绝对不能一成不变。
如果调整挖矿难度？
在比特币系统开发过程中，中本聪便考虑到了这个问题，并设计了一个相应的调整难度的算法。
挖矿本质上就是不断调整block header中的nonce值，使整个block header的哈希值小于等于给定的目标阈值。即：H(block header)<=target.（target便是目标阈值，target越小，目标难度就越大）
在BTC协议中规定，每隔2016个区块需要调整一次难度，根据10min产生一个新区块可以得到，大概需要14天的时间。具体调整公式如下：
可见，如果实际出块时间比较长，target会比较大，相应的挖矿难度会降低；如果实际出块时间比较短，target会比较小，相应的挖矿难度会增大。
3）全节点和轻节点
之前提到，由于硬件限制，BTC系统中分为轻节点和全节点，下表阐述了全节点和轻节点的区别
挖矿：
1. 决定沿着哪条链挖下去。
2. 当出现等长分叉，选择哪一个分叉 只能检测哪个是最长链，不知道哪个是最长合法链
在比特币网络中，大多数节点都是轻节点。如果只是想进行转账操作，不需要挖矿，就无需运行一个全节点。在挖矿过程中，如果监听到别人已经挖出区块延伸了最长合法链，此时应该立刻放弃当前区块，在本地重新组装一个指向最后这个新合法区块的候选区块，重新开始挖矿。
8、 比特币网络工作原理
比特币系统的底层（网络层）是一个P2P Overlay network（P2P覆盖网络）。比特币系统中所有节点完全平等，不像一些其他网络存在超级节点(super node)。
每个节点维护一个邻居节点集合，消息传播在网络中采用洪泛法，某个节点在收到一条消息会将其发送给所有邻居节点并标记，下次再收到便不会再发送该消息。（邻居节点选取随机，未考虑网络底层拓扑结构，也与现实世界物理地址无关。该网络具有极强鲁棒性，但牺牲了网络效率。）