区块链原理与应用 课件 第3章 比特币系统介绍

比特币系统介绍比特币的技术基础基于默克尔树的交易记录结构

基于哈希函数的工作量证明算法

基于P2P网络的数据广播信道利用哈希函数构造工作量证明对于一个输入X，得到Y=H(X)。如果Y<T，那么X是一个有效的输入。由于哈希函数是不可逆的，不能通过指定Y直接找到对应的X。因此找到有效输入的唯一方法是暴力搜索大量的X。找到一个有效的输入，意味着进行了大量的暴力搜索，也就是证明花费了相应的工作量。找到一个有效输入所需尝试测试N的数学期望为基于工作量证明构造区块链为了保证每次工作量证明都是全新的且不能更改，将前一个工作量证明的输出作为下一个工作量证明输入的一部分，工作量证明过程形成一个链条。链条上的每一笔数据包含上一个块输出信息和一个随机数X，这笔有效的数据称为一个区块交易数据与区块链的结合用户生成区块时，将自己当前网上的交易数据作为输入的一部分包含进去。包含进区块的交易数据不可更改，否则将破坏区块的链条连接。区块链竞争裁决比特币及区块链使用基于P2P网络的广播通信，新生产区块以及交易数据通过节点间的泛洪传递到所有节点。无中心分布式网络中，各个节点所产生与接收的区块是可能不同的。产生不同区块链后，用户选择长度最长的区块链。区块链输出的一致性如果诚实用户算力占优，则所有用户将输出相同的最长链比特币区块链结构创世块version (4bytes)prev (32bytes)time (4bytes)bits (4bytes)nonce (4bytes)Txroot (32bytes)80bytesBH1coinbaseTxHprevTxrootcoinbaseTxHBH2prevTxrootHBH3…区块头-80字节version:版本号time:

区块生成时间，由生成区块的矿工填写，如果时间与当前时间相差较多将会被拒绝bits:工作量证明的难度系数nonce:工作量证明的随机数Txroot:交易组成的默克尔树的根Prev：前一个区块的哈希值区块链浏览器-区块高度信息单个区块信息区块技术信息区块包含交易信息比特币的发行比特币系统所有交易使用的比特币也均来自之前矿工生成区块的奖励。通过这个机制，一方面实现了比特币的去中心化发行，一方面实现了对矿工的激励机制。比特币的挖矿奖励在每个区块的第一个交易中声明，该交易称为铸币交易(CoinbaseTransaction)。铸币交易中指明了获得奖励的账户地址，也就是生成区块矿工的地址。

比特币地址信息编码比特币的发行数量比特币系统为了保持供应的稀缺性，其采用了类似地球黄金储量有上限的机制来限制总的供应量。在初始阶段，每个区块奖励50个比特币，并且每210000个区块高度，奖励数减半，因此比特币总数量C计算如下：

比特币的手续费矿工除了挖矿奖励还能得到交易的手续费，尤其当挖矿奖励趋近于零后，矿工的主要收入将来自于交易手续费比特币手续费曲线比特币的交易模型比特币没有采用传统的账户余额模型，而是采用了未花费交易输出(UTXO)模型比特币交易格式input[0]input[1]input[2]output[0]output[1]witnesseslocktime锁定时间隔离见证能够包含这个交易的区块生成最早时间输入输出TxIDout-indexScriptSigseq输入交易地址输入交易编号解锁脚本程序ignoreinput:valueScriptPK输出金额锁定脚本程序output:输出金额value是以10-8个BTC为单位TxID=H(Tx)(不包含witnesses)比特币交易例子2ScriptPK5ScriptPKinputTxIn[0]TxOut[0]TxOut[1]Tx1:UTXO1UTXO20locktimeTxIDTxIn[0]TxOut[0]Tx2:outputoutputTxOut[1]UTXO31ScriptSigUTXO40UTXO:unspentTxoutputvaluevalue(存入交易)(花费交易)☓交易验证执行矿工验证交易的每一个输入，每个交易必须满足下面的三个条件验证交易金额的有效性，交易输入总值≥输出总值，避免超额花费验证每笔输入的有效性，每个输入指定的TxID|index在当前的UTXO集合中，避免双花拼接执行每笔输入的ScriptSig|ScriptPK脚本代码，执行结果返回true，验证花费没有被盗花交易完成（写入区块）后,矿工将该UTXO从UTXO集合中删除交易脚本代码拼接DUPHASH256<pkhash>EQVERIFYCHECKSIG<sig><pk>ScriptSigScriptPKScriptSig|ScriptPK

<sig><pk>DUPHASH256<pkhash>EQVERIFYCHECKSIG交易脚本代码执行利用栈执行拼接代码，遇到操作数入栈，遇到操作码利用栈顶元素执行相应操作<sig><pk>DUPHASH256<pkhash>EQVERIFYCHECKSIGstack: empty init <sig><pk> pushvalues <sig