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。

区块链网络提供一个公共可见的记账本，该记账本并非记录每个账户的余额，而是用来记录发生过的交易的历史信息。该设计可以避免重放攻击，即某个合法交易被多次重新发送造成攻击。

6.2.1　基本交易过程

每次发生交易，用户需要将新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，被使用过的交易的输出（Spent Transaction Outputs，STO）则无法被引用作为合法输入。

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。总输入相比总输出多余的部分称为交易费用 （Transaction Fee），为生成包含该交易区块的矿工所获得。目前规定每笔交易的交易费用不能小于0.0001 BTC，交易费用越高，越多矿工愿意包含该交易，也就越早被放到网络中。交易费用在奖励矿工的同时，也避免了网络受到大量攻击。

交易中金额的最小单位是“聪”，即一亿分之一（10-8）比特币。

表6-1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。

表6-1　简单的示例交易

需要注意，刚放进网络中的交易（深度为0）并非是实时得到确认的。进入网络中的交易存在着被推翻的可能性，一般要再生成几个新的区块（深度大于0）才认为该交易被确认。

下面分别介绍比特币网络中的重要概念和主要设计思路。

6.2.2　重要概念

1.账户/地址

比特币采用了非对称的加密算法，用户自己保留私钥，对自己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。

一般地，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。

注意 　账户并非直接是公钥内容，而是Hash后的值，以避免公钥过早公开后导致被破解出私钥。

2.交易

交易是完成比特币功能的核心概念，一条交易可能包括如下信息：

·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：哪个交易的输出作为本次交易的输入；

·交易的金额：多少钱，与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、发起交易者是否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。

如果检查都通过，则将交易标记为合法的未确认交易，并在网络内进行广播。

用户可以从blockchain.info网站查看实时的交易信息，一个示例交易的内容如图6-2所示。

图6-2　比特币交易的例子

3.交易脚本

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，类似于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交易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，允许用户将比特币发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，里边包含另一个脚本（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。

以P2PKH为例，输出脚本的格式为：

scriptPubKey: OP_DUP OP_HASH160 <pubKeyHash> OP_EQUALVERIFY OP_CHECKSIG

其中，OP_DUP是复制栈顶元素；OP_HASH160是计算Hash值；OP_EQUALVERIFY判断栈顶两元素是否相等；OP_CHECKSIG判断签名是否合法。这条指令实际上保证了只有pubKey的拥有者才能合法引用这个输出。

另外一个交易如果要花费这个输出，在引用这个输出的时候，需要提供的认领脚本格式为：

scriptSig: <sig> <pubKey>

其中，是用pubKey对应的私钥对交易（全部交易的输出、输入和脚本）Hash值进行签名，pubKey的Hash值需要等于pubKeyHash。

进行交易验证时，会按照先scriptSig后scriptPubKey的顺序依次进行入栈处理，即完整指令为：

<sig> <pubKey> OP_DUP OP_HASH160 <pubKeyHash> OP_EQUALVERIFY OP_CHECKSIG

读者可以按照栈的过程来进行推算，理解整个脚本的验证过程。

引入脚本机制带来了灵活性，但也引入了更多的安全风险。比特币脚本支持的指令集十分简单，基于栈的处理方式，并且非图灵完备，此外还添加了额外的一些限制（大小限制等）。

4.区块

比特币区块链的一个区块主要包括如下内容：

·4字节的区块大小信息；

·80字节的区块头信息；

·交易个数计数器：1～9字节；

·所有交易的具体内容，可变长。

其中，区块头信息十分重要，包括：

·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。

可见，要对区块链的完整性进行检查，只需要检验各个区块头信息即可，无需获取具体的交易内容，这也是简单交易验证 （Simple Payment Verification，SPV）的基本原理。另外，通过头部的链接，提供时序关系的同时加大了对区块中数据进行篡改的难度。

一个示例区块如图6-3所示。

6.2.3　创新设计

比特币在设计上提出了很多创新点，主要考虑了避免作恶、负反馈调节和共识机制三个方面。下面分别介绍。

1.避免作恶

避免作恶基于经济博弈原理。在一个开放的网络中，无法通过技术手段来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。

图6-3　比特币区块的例子

实际上，博弈论早已广泛应用于众多领域。一个经典的例子是两个人分一个蛋糕，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分配蛋糕的人后挑选。

提示 　如果推广到N个人呢？

比特币网络中所有试图参与者（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。当网络中存在众多参与者时，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。

2.负反馈调节

在设计上，比特币网络很好地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，网络中矿工减少，会让系统更容易被攻击，比特币价值降低，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。

注意 　比特币的最小单位是“聪”，即10-8 ，总“聪”数为2.1×1015 。对于64位处理器来说，高精度浮点计数的限制导致单个数值不能超过253 ，约等于9×1015 。

3.共识机制

传统共识问题往往是考虑在一个相对封闭的分布式系统中，允许同时存在正常节点、故障如何快速达成一致。

对于比特币网络来说，它是完全开放的，可能面对各种攻击情况，同时基于Internet的网络质量只能保证“尽力而为”，导致问题更加复杂，传统的一致性算法在这种场景下难以使用。

因此，比特币网络不得不对共识的目标和过程都进行一系列限制，提出了基于Proof of Work（PoW）的共识机制。

首先是不实现面向最终确认的共识，而是基于概率、随时间逐步增强确认的共识。现有达成的结果在理论上可能被推翻，只是攻击者要付出的代价随时间而指数级上升，被推翻的可能性随之指数级下降。

此外，考虑到Internet的尺度，达成共识的时间相对比较长，因此按照区块（一组交易）来进行阶段性的确认（快照），从而提高网络整体的可用性。

最后，限制网络中共识的噪声。通过进行大量的Hash计算和少数的合法结果来限制合法提案的个数，进一步提高网络中共识的稳定性。

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