区块链 1.0：货币与比特币

2016-10-26 13:41:00

区块链（Blockchain）是一种分布式数据库，起源自比特币。

区块链是一串使用密码学方法相关联产生的数据块，用于验证其信息的有效性（防伪）和生成下一个区块，区块链和比特币是一起诞生的，比特币也是区块链1.0时代最重要的应用。

区块和区块链

(示意图：一个典型的区块结构）

(创世区块）

区块链是由区块串成的链，每一个区块都在头部保存了上一个区块的HASH值，从而形成了链式的结构，比较特殊的是，比特币的第一个区块（也被称为创世区块）是由一个据信叫中本聪的人构造而成的，创世区块没有指向任何区块。

有了创世区块之后，人们就可以通过”挖矿“来制造比特币，”挖矿“其实就是创建区块的过程，其本质是解决数学问题：

sha256(sha256(new_block_template)) <= target

new_block_template是一个新的区块模板，一个新的区块需要包含任意数量的当前没有确认的交易和区块的基本信息，其中coinbase交易和随机数由矿工任意填写。

我们知道sha256运算的范围是0~2^256-1共2^256种可能，而且sha256的运算结果分布足够均匀随机，所以矿工们想要解上面的不等式，只能有一种办法：不停的变换随机数和/或coinbase字段然后重复计算hash值以期找到满足不等式的block。矿工一旦找到满足上述不等式的block，广播到比特币网络并被网络接受，新的区块就被创建了，所有的矿工会在这个新区块的基础上构建下一个区块。

根据中本聪的设想，区块应该每10分钟创建一个，所以，比特币的网络会每隔2016个区块review一次区块的平均产出时间，如果小于10分钟，说明参与不等式求解的”计算能力“增多，需要适量调小target以增加解题的难度，反之，就会增大target以减小解题的难度。参与区块创建的矿工会得到比特币的奖励，这笔奖励最初为50BTC，每隔210000个区块（约四年时间）减半，最终减少到0，目前每个区块的挖矿奖励为25BTC，在今年晚些时候会减少到12.5BTC。

交易

这里先明确一点，比特币网络里面，其实并不存在所谓的比特币，存在的只是很多”没有花费的交易（unspent transaction outputs ,UTXO）”，UTXO指经过网络验证，却没有出现在其它任何交易inputs里面的交易。矿工们创建区块，其实只是创建了一个特殊的UTXO（即coinbase）：这个特殊的交易没有输入（任意填写），只有输出。

到这里大家可能很困惑了，我们先来看下交易的典型结构：

（coinbase交易，假设该交易的id为f5d8ee39a430901c91a5917b9f2dc19d6d1a0e9cea205b009ca73dd04470b9a6）

（普通交易）

我们从coinbase开始来解释比特币网络的交易，矿工在创建区块时，coinbase是可以写入任意内容的，一个正常的矿工可能会这么做：Inputs字段写入一些自己个性化的内容和随机内容（以满足上文中的不等式），Outputs中的Value字段填写挖矿奖励，scriptPubKey字段写入一段脚本，这段脚本使得自己下次可以“花费”掉这笔交易。

这里先铺垫一下比特币的私钥、公钥和地址的关系：

比特币私钥（private key）类似于密码，是一段只有你自己知道的不限制长度的数据，一般为了保证安全性，会使用真随机数发生器生成不少于256bit的数，私钥通过单向算法SECP256K1生成公钥（public key），再将公钥经过单向算法RIPEMD160生成公钥哈希（public key hash），最后将公钥哈希经过BASE58编码加上校验值后生成比特币地址（address），如下图所示，即，有了私钥，我们可以推出所有，有了公钥，可以推算出地址（和公钥哈希可以互相转换），但是不能推出私钥。

（比特币私钥、公钥、地址之间的关系）

回到上面，我们来看下一个普通的交易是如何“花费”掉之前的交易的，普通交易的inputs就不能随便填写了，需要填写你可以花费掉的交易，并向全网证明这的确是你可以花费的交易，具体过程参照上面的coinbase交易和普通交易，普通交易的发起人指明要“花费”coinbase这一UTXO，并在inputs的scriptSig字段里填上了自己的签名和公钥，广播到全网，接受到这笔交易的节点通过如下过程验证交易：

首先执行scriptSig，将签名和公钥入栈