內容整理自 北京大學肖臻老師《區塊鏈技術與應用》公開課 04-BTC-協議
數字貨幣容易產生雙花攻擊 double spending attack
中心化解決double spending：給貨幣制定編號，維護一個大數據庫，用來記錄某編號的貨幣在誰手裏。
去中心化要解決的兩個問題：
1.誰發行？在比特幣中是由挖礦來解決。
2.驗證交易的有效性，防止double spending attack。那麼如何驗證交易有效性？
與中心化類似，需要維護一個數據結構，記錄某幣是否被消費，被誰消費過。只是這個數據結構由所有用戶共同維護，而不是中心化機構維護，這個數據結構就是區塊鏈。
比特幣系統中每個交易都包含輸入和輸出兩部分，輸入部分要說明幣的來源以及付款人的公鑰，輸出部分要給出收款人的公鑰的哈希。
轉賬交易要說明幣的來源，即花掉的幣從哪來的：1.防止幣是憑空捏造的 2.防止double spending.
轉賬交易（A-->B）需要的信息：A的簽名，B的地址。
A需要知道B的地址，比特幣中收款地址是通過公鑰推算出來的，地址相當於銀行賬號，而公鑰是可以公開的，不需要保密。
B需要知道A的公鑰，大家都需要知道，代表A的身份，用來驗籤。
A--->B交易中A的公鑰要與幣的來源中A的公鑰的哈希對得上。如果此時有B’僞造一對公私鑰，冒充A給B轉賬，雖然B'的公鑰能夠驗籤成功，但是該公鑰與幣的來源中公鑰的哈希值對不上，所以無法僞造交易。
圖中一個簡化假設是每一個區塊只有一個交易，實際系統中每個區塊可以包含很多筆交易，這些交易組織成merkle tree。每個區塊分成塊頭 Block header和塊身 Block body兩部分。
| Block header保存區塊的宏觀信息 | Block body保存交易列表 |
| --version比特幣哪個版本的協議 | --transaction list |
| --hash of previous block header指向前一區塊的指針 | |
| --Merkle root hash整個merkle tree的根哈希值 | |
| --target挖礦的難度目標閾值的編碼nBits | |
| --nonce隨機數 | |
| --timestamp時間戳 |
注意：前一個區塊的哈希，算的只是區塊的block header，不包含block body。header中的root hash就已經能保證了body中所包含的交易列表是沒有辦法被篡改的。類似下圖：
另一個簡化假設是每一個節點都會驗證所有交易的合法性。但是實際中，系統中的節點分爲全節點 full node和輕節點 light node。其中，全節點保存所有信息，驗證每一個交易，所以全節點也叫作fully validating node。但是輕節點只保存header，沒法獨立驗證交易合法性以及某交易是否double spending。系統中大部分是light node，full node不是很多。
分佈式共識
上面說的是區塊鏈中所包含的內容，那麼這些內容如何被寫到區塊鏈中？每個節點都可以發佈交易，交易廣播給所有節點，有些交易合法而有些交易非法。那麼誰來決定哪些交易應該被寫到下一個區塊中？按照什麼樣的順序寫？
賬本的內容，要取得分佈式的共識 distributed consensus。分佈式共識一個簡單例子就是分佈式哈希表 distributed hash table。其中要取得共識的內容是key-value pair.
分佈式理論：
1.不可能結論 FLP impossibility result.
在一個異步系統 asynchronous中（網絡傳輸延遲無上限）,即使只有一個成員有問題 faulty，也不可能取得共識。
2.CAP Theorem.
Consisence 一致性/ Avalilability 可用性/ Partition tolerance 分區容錯性。最多滿足兩個，不可能都滿足。
分佈式共識中的一個協議：Paxos協議，保證了一致性
Consensus in BitCoin 比特幣中的共識協議：
該協議要解決的是，有些節點是惡意的，假設系統中大多數節點是好的，有惡意的是少數。
---投票
問題：
1.節點本身有惡意的，不斷地提出非法候選區塊，大家不停地進行投票，造成時間浪費在投票上
2.各別節點不投票，行政不作爲
3.效率問題。網絡延遲，投票等待時間
4.membership問題。確定誰有投票權，不是誰都可以加入，比如聯盟鏈協議 hyperledger facric，只有大公司可以加入，這種情況下基於投票是可行的。但是比特幣系統中創建賬戶很容易，不需要外部批准。惡意節點可以不停地產生賬號，佔據控制權，操縱投票結果，這就是女巫攻擊 sybil attack。所以簡單，直接的投票在比特幣中不可行。
比特幣中投票不是按照賬戶數目，而是按照算力投票。每個節點都可以在本地組裝一個候選區塊，把認爲合法交易放在區塊中，然後開始嘗試各種nonce值，即H(block header) <= target, header中有一個隨機數nonce,組裝好區塊後就開始試隨機數nonce(4 bytes).如果某個節點找到符合要求的nonce，就會獲得記賬權，即往比特幣去中心化的賬本里寫入下一個區塊的權利。只有找到nonce，獲得記賬權，纔有權發佈下一區塊，其他節點收到區塊，驗證合法性，比如驗證header中的內容是否正確，驗證body中每個交易是否都是合法，有合法的簽名，以前也沒有被消費過。
但是，也不是說一個區塊只要經過檢查，header和body中的交易列表都符合要求，就一定會被接受。如圖：
出現分叉的情況：
如圖，A-->A'的區塊中包含的交易都是合法的，但是插在了區塊鏈中間（根據hash of previous block header判斷區塊位置），比如A先把錢轉給了B,又把錢轉給了自己A'，這個交易是合法的，不屬於double spending（驗證double spending是從當前區塊到幣的來源之間，中間的區塊是否有花過這些幣）。A-->A'是想把A-->B的交易回滾掉，把錢再轉給自己，雖然交易合法，但是不在最長合法鏈 longest valid chain中，上面的鏈纔是最長合法鏈。所以在比特幣中，接收的區塊應該是在最長合法鏈中。A-->A'例子其實是分叉攻擊 forking attack，通過往區塊鏈中間位置插入區塊，來回滾某個已經發生過的交易。
正常情況下也會出現分叉，比如兩個節點同時獲得記賬權，這時候會出現兩個等長的分叉，如圖後半部分的分叉，此時這兩個都屬於最長合法鏈。如果出現系統中兩個節點同時發佈區塊，這種等長的，臨時性的區塊會維持一段時間，直到某一個分叉最後勝出（被擴展），另一個被丟棄，叫做orphan block。
通過競爭，爭奪記賬權的好處：
1.獲得記賬權的節點本身有一定的權利，可以決定哪些交易被寫進下一個區塊，但不是主要動力，凡是合法交易都應可以被寫入區塊中。
2.出塊獎勵 block reward。獲得記賬權的節點，在發佈的區塊裏，可以有一個特殊交易，即鑄幣交易 coinbase transaction。在這個交易中可以發佈一定數量的比特幣，這就是開始提到的去中心化要解決的第一個問題：誰來發行比特幣。coinbase transaction是比特幣系統中產生新的比特幣的唯一方法，造幣數量50BTC-->25BTC-->12.5BTC，每21萬個區塊（4年）出塊獎勵都要減半。orphan block中的出塊獎勵無效。
比特幣系統中要取得的分佈式共識是去中心化賬本中的內容，只有獲得記賬權的節點才能往裏寫東西，想要獲得記賬權，就要解puzzle，就是H(block header) <= target。puzzle friendly的性質保證求解puzzle的過程沒有捷徑，只能一個個nonce去試。算力大的節點，獲得記賬權的概率也大，這就是比特幣中投票的特殊性，看每秒鐘能試的nonce的數目，也就是hash rate，它決定投票權重，hash rate越高，獲得記賬權，得到出塊獎勵的概率也就越大。
可以防範sybil attack，因爲投票靠算力，與多少賬戶無關，創建的賬戶多，不會使hash rate增加，投票權重沒變。
比特幣中爭奪記賬權的過程也叫挖礦 mining。把比特幣比作數字黃金 digital gold，礦工 miner就是爭奪記賬權的節點，而區塊就是通過挖礦挖出來的。