区块链 - 比特币开发指南

2018-02-25 本文已影响350人 terryc007

原文链接： https://bitcoin.org/en/developer-guide#block-chain
翻译：terryc007
版本： 1.0

比特币开发指南

1. 区块链

比特币开发指南主要是为你提供一些必要的信息，方面你理解比特币，以及基于比特币来开发一些应用程序。但它并不是关于比特币的说明书。为了更好的使用本开发指南，你可以安装当前比特币核内核源码，或者编译好的比特币内核客户端。

有关比特币开发的问题，最好去比特币开发社区提问。在Bitcoin.org上，有关文档的错误或建议，可作为一个问题提交，或在比特币文档邮件列表发贴。

在下面的开发文档，有一些文字会被省略或隐藏起来： "[…]" 表示额外的数据已被删掉，行尾带有""符号，表示下面部分还是该行内容。如果你移动鼠标停在段落时，带有交叉引用链接的文字会变成蓝色。如果你把鼠标停在带有交叉引用链接的术语上，会显示这个术语的简要提示信息。

区块链

区块链提供了比特币公共账簿，里面包含了有序的，带有时间戳的交易记录。区块链系统被用来防止双发，防止之前的交易记录被篡改。

在比特币网络，每个全节点，各自独立的保存了一份区块链，该区块链中包含仅由自己验证的区块数据。当节点的区块链中，都有相同的区块时，他们被认为有一致的共识。这些被用节点来维持共识的验证规则叫做共识规则。本节会介绍很多在比特币内核中用到共识规则。

区块链概要

上面的插图是个简易版区块链。一条或多条新的交易记录被收集到区块中，用于存放交易数据的地方。为每条交易生成哈希值，然后哈希值两两配对，再生成哈希值，然后再对之前的生成的哈希值两两配对，再生成哈希，直到只剩下一个哈希值，最后这个哈希值就是默克树根。

默克尔树根被存放在区块头。每个区块会存放前一个区块头的哈希值，这样把所有的区块串联起来，便成了区块链。这就保证了，在不修改交易所在的区块，以及该区块后续所有区块前提下，交易是不能被篡改的。

交易记录也会被串联在一起。比特币钱包给我们一个直观的印象是：satoshis（比特币最少的单位 1btc = 100,000,000 satoshis）在钱包之间来回发送，但实际上比特币是从一个交易到另外一个交易的转移。每个交易会花之前一个或多个交易的satoshis，所以一个交易的输入就是前一个交易的输出。

一个交易可以创建多个输出，就如同当发送到多个地址，但在区块链中，每个特定的交易输出只能被交易输入使用一次。任何后续的引用都是一个禁止的双发 — 试图使用两次satoshis。

交易输出会跟交易id（TXIDS）绑定在一起，所谓的交易id就是交易的哈希值。

因为每个特定交易的输出只能被使用一次，区块链中所有的交易的输出可以被归类为：未使用交易输出（UTXOs）或者发费交易输出。对于一个有效的支付，它必须且只能使用UTXOs作为输入。

除coinbase类型交易（区块中的第一个交易，通常被矿工创建，用来认领挖矿奖励，以及提供100个字节的空间，可存放任何数据）外，如果一个交易的输出值大于它的输入值，交易将会被拒绝。但是如果交易输入值大于交易输出值，其中的差额就是交易费用，用于支付比特币矿工（他们负责创建包含交易的区块）。比如，在上面的图示中，每个交易交易费用少于交易输入总和，实际上支付了10000 satoshis。

工作量证明

网络中的匿名节点一起协作来维持区块链，因此比特币在创建区块时，需要一个有效数量的工作证明，以确保试图修改历史区块的不可信节点，比起可信的节点付出更多的工作量。

把区块串联起来，在不修改当前区块以及后续所有区块情况下，使得修改任何区块中的交易变的不可能。因此，每增加一个新的区块到区块链上，就会增加修改一个特定区块的成本，也就放大了工作量证明的效果。

比特币中使用的工作量证明利用了密码学哈希中的自然随机。一个好的加密哈希算法可把任意数据转化成看似随机的数字。如果数据修改，不管任何方式，当重新计算数据的哈希值时，会产生一个新的随机数，因此没有任何方法在修改数据之后，可以预测其哈希值。

为了证明你为创建区块而做了一些工作，你必须生成一个区块头的哈希值，该哈希值不能超过一个特定的值。比如，如果最大的哈希值是2²⁵⁶-1 , 你可通过生成一个小于2²⁵⁵的哈希值来证明你尝试了两种组合。[?]

在上面的例子中，你生成一个符合要求的哈希值所做的每次尝试在概率上是相同的。甚至可以估算出一次哈希计算尝试能生成一个小于特哈希值的概率。比特币采用的是线性概率，即哈希目标值越小，就需要越多的哈希计算尝试。

新区块只有其生成的哈希值，符合共识协议所预期的难度值，才能被加入到区块链中。每2016个区块，比特币网络使用保存在区块头中的时间戳，来计算从生成第一个区块到第2016个区块所经历的时间（秒）。这实际的值是 1209600秒（两个星期）。

如果生成2016个区块所用的时间少于2个星期，那么生成下2016个区块时，在同一算力的情况下，为保证2016个区块生成所需的时间，恰好是2个星期，那么预期的难度值会按比例提升（差不多300%）。
如果生成2016个区块所用的时间多于2个星期，同理，其预期难度会按比例下调（大约75%）。

（注意：在比特币内核实现中，一个单个偏移的错误导致难度的更新从仅需2015个区块变成了2016个区块，这了导致了一点偏移）[?]。

因为每个区块头在生成哈希值时，必须要小于目标阀值，同时每个区块要跟它之前的区块链接起来，要在整个比特币网络中广播修改过的区块，平均上讲，它就需要消耗：从被修改的区块其创建时间起，到当前时间之间所有区块需要的算力。只有你掌握了大量的哈希算力，你才能可靠的执行51算力攻击（然而需要注意的是，即使是低于50%的哈希算力，也是有可能成功的实施这样的攻击）。

区块头提供了好几个易于修改的字段，比如一个专用的临时字段，这样可以在不需要等待新的交易，就可以获得新的哈希值。[?] 同样，用于工作量证明时，只需对只有80个字节的区块头计算哈希值就可以，所以在区块中大量的交易数据并不会降低计算哈希值的速度，而只是增加了一些额外的交易数据，需要重新计算默克树中的父节点哈希值。

区块高度和分叉

任何比特币矿工可以把整个区块加入到区块链中，只要它生成的区块头哈希值低于目标阀值。这些区块通过区块高度来寻址。所谓的区块高度 - 指的是当前区块到第一个比特币区块（通常也叫创世块）之间区块的个数。比如，区块高度为2016的区块，就是第一次难度调节后的区块。

多个区块可以同时有相同的区块高度，因为当二个或多个矿工在同一时间产出一个区块是很常见的。这会在区块链创建一个明显的分叉，如下图所示。

当矿工在区块链末端同时产出多个区块时，每个节点会各自接受区块。在不考虑其他节点的情况下，节点通常会选择他们第一次看到的区块，下面我们会讨论。

最终，每个矿工会产出另外一个区块，它会被添加到具有并发竞争挖取的区块链中[?]。这使得分叉链比其他侧链难度更大。假如一个分叉仅包含有效的区块，普通的节点通常会基于难度最大的链进行重建区块链，同时会剔除掉属于较短链上的陈腐区块（有时候也叫孤块，但是孤块，也用来表示那些没有父区块的区块。）。

陈腐区块

就是那些不在难度最大的区块链上，而在其他分叉侧链上的区块，有时候也叫孤块，但是也指那些还没有被本地节点处理的，没有父区块的区块。

很长的分叉是有可能的。比如不同的矿工为不同的目的而工作，比如一些矿工勤恳的扩展区块链，同时，其他的矿工企图通过实施51%算力攻击修改交易记录。

在一个分叉链上，因为多个区块可能其区块高度是一样的，因此，区块高度不能用于全局唯一标识。而是，通过区块的区块头的哈希值（16进制，反字节序）来引用区块。

交易数据

每个区块必须包含一个，或多个交易。第一个交易必须是coinbase交易。也叫创世交易。它用来接收，消费区块奖励（包括挖出一个区块的补贴，以及该区块内所有交易支付的交易费用）。

创世交易的UTXO有一个特定的条款，就是少于100个区块确认，它是不能被发掉的（即不能做为其他交易的输入）。这可暂时防止矿工发掉从区块获取的区块奖励，因为在一个分叉的链上，矿工挖出的区块有可能以后被认定为是孤块。

区块并不要求包含任何非coinbase交易，但是矿工为了获得他们的交易费用，他们几乎总是会往区块中加一些额外的交易。

所以的交易，包括coinbase交易，会以二进制源交易[?]格式编码存储到区块中。

通过对源交易格式进行哈希来生成交易id（txid）. 对于这些交易id，通过对txid两两配对，让后对他们进行哈希计算，来构建默克尔树。如果是个奇数个交易id，则跟自己配对来实现两两配对，再进行哈希计算。

这些哈希计算结果（即哈希值）让后又两两配对，再计算哈希值。任何哈希值如果没有配对的，就跟自己配对，再计算哈希值。这个过程会不断的重复，直到只剩下一个哈希值。这个值就是默克树根。

比如，如果交易不做哈希处理，那么5个交易的默克尔树看起来如下图所示：

 ABCDEEEE .......Merkle root
        /        \
     ABCD        EEEE
    /    \      /
   AB    CD    EE .......E is paired with itself
  /  \  /  \  /
  A  B  C  D  E .........Transactions

如简化支付认证（SPV）段落中所讨论的，通过区块头中的默克尔树根，以及从一个全节点中获取的，一个中间哈希值列表[?]，默克尔树允许客户端根自己验证一个交易是否在一个区块中。全节点不必是可信的，因为伪造区块头的成本很高，同时中间哈希值列表是不能伪造的，否则验证会失败。

比如，要验证交易D是否已被加入区块中，一个SPV客户端仅需要交易C,AB,EEEE的哈希值，以及区块的默克尔树根；客户端不需要知道其他任何交易。在这个区块中，假如按这个5个交易所占最大的大小来算，下载这整个区块需要大约500,000字节 - 但是下载3个哈希值，再加上区块头仅需要140字节。

注意：如果在同一个区块中发现相同的交易id，默克尔树可能会跟区块发生冲突, 会导致一些或者全部交易id被删掉去，这取决于非平衡默克尔树[?]是如何实现的(复制孤立的哈希值)。因为不同交易有相同的交易id是不可能的，这对于那些忠实的软件不是一个负担，但是如果一个区块的无效状态被缓存，那么必须要对该区块进行检查；否则，一个去除重复交易id的有效区块本可以有相同的默克尔树根，区块哈希值，但因缓存的无效的区块状态，会导致安全bug（比如）CVE-2012-2459，而使得区块被拒绝掉。

共识规则改变

为维持共识，所以的全节点使用同样的共识规则来验证区块。然而，有时候为了引进新的功能以防止比特币网的滥用，就需要对共识规则进行改变。当新的共识规则被实施后，非升级节点会继续遵循久的共识规则，升级节点遵循新的共识规则，这种情况可能会持续一段时间，这样会导致两种不同的共识。

遵循新共识规则的区块被升级节点接受，但非升级节点会拒绝接受。比如，一个的交易功能在被区块使用：升级节点知道这个功能并接受它，而非升级节点因其他违反老的共识规则而拒绝接受它。
违反新的共识规则的区块被升级节点拒绝，但被非升级节点接受。比如，一个滥用的交易功能在区块中使用：升级节点会拒绝它，因为它违反了新的共识规则，而非升级节点则接受它，因为它遵守了老的共识规则。

在第一种情况，非升级节点拒绝接受，那些从非升级节点获取区块数据的挖矿软件，拒绝构建跟那些从升级节点获取区块数据的挖矿软件同样的区块链。这会创建永久的分叉 — 一个非升级节点所在的链，一个升级节点所在的链 — 这也叫做硬分叉。

在第二种情况，区块被升级节点拒绝接受，如果升级节点控制了绝大部分哈希算力，那么避免硬分叉是有可能的。这是因为，在这种情况，非升级节点会接受所有升级节点中有效的区块，因此升级节点能构建更为健壮的区块链，而非升级节点会接受这条链是最好的有效链。这叫做软分叉。

虽然分叉在区块链中是一个真实的分歧，但是修改共识规则通常使用创建一个硬分叉或软分叉来描述。比如，“增加区块大小到1MB以上需要一个硬分叉”，在这个例子中，是个实际的区块链分叉是不需要的 — 但是这是一个可能的方案。

共识规则的改变可以通过各种方式来激活。在比特币的头两年，中本聪就通过执行过好几次软分叉，他通过发布向后兼容的共识规则更改的客户端，使得这些客户端立即执行新的共识规则。很多的软分叉，如BIP30 ，是通过一个标志日期来激活。就是说新的共识规则在预定的时间或者区块高度被强制激活。像这种通过标志日期来激活的分叉被称之为用户激活软分叉（UASF）。因为在标志日期后，这些分叉要依赖一些有效的用户（节点）去执行新的共识规则。

后来，软叉需要等待大部分哈希算力（通常75%或95%）发出他们已准备好执行新的共识规则的信号。一旦超过所需信号的阈值，所以的节点就会执行新的共识规则。这样的分叉被称之为矿工激活软分叉（MASF）,因为分叉依赖矿工去激活。

资源： BIP16, BIP30, BIP34 是通过共识规则的改变来实施的，导致了软分叉。 BIP50 导致了一个意外的硬分叉，后来通过临时降级升级节点的能力，以及当临时的降级被移除后，通过一个有意的硬分叉来解决这个问题。这有一个来自Gavin Andresen，有关未来共识规则改变如何实施的文档。

检测分叉

在上面两种分叉中，非升级节点可以使用，发送不正确的信息，会创建好几个情况导致财产损失。实际上，非升级节点可以转发，接受那些被升级节点认为无效的交易。这些交易永远不会成为全局公认的最佳区块链中的一部分。非升级节点也可以拒绝转发那些已经添加，或即将添加到最佳区块链中的区块，交易，这样就可以提供不完整的信息。

比特币内核里有通过查看区块链工作量证明实现检测硬分叉的代码。如果非升级节点收到一些区块头，这些区块头里面至少有6个区块可以证明，新区块所在的区块链的工作量，比起该节点认为的最佳区块链上的工作量还要多的话，则该节点会在getnetworkinfo RPC结果中报告一个警告，同时，会运行 -alertnotify 命令，如果有设置的话。这会警告运营者非升级节点不能切换到很有可能是最佳的区块链上。

全节点也能检查区块，交易的版本号。如果最近的区块的区块版本号或交易版本号，比改节点用的区块的版本号要高，它就会认为它没有使用当前的共识规则。比特币内核会通过getnetworkinfo RPC 来报告这个情况，以及运行-alertnotify命令，如果有设置的话。

不论哪种情况，如果区块，交易数据明显来自一个没有使用当前共识协议的节点，区块，交易数据就不应该被转发。

SPV客户端会跟全节点链接起来，通过链接多个全节点，同时保证这些全节点在同一区块链的同一个区块高度，考虑到交易延迟，陈腐区块，可加或减掉几个区块，就可以检测可能的硬分叉。如果有分叉，SPV客户端可以断掉那些在更弱链上节点间的连接。

SPV客户端也应监控区块，交易版本号的增加，这样可以保证SPV客户端去处理接收到的交易，并使用新的共识规则创建新的交易。

声明：

文中带有[?]的地方，表示我对此翻译明显感觉不太对的，后续会不断修正。

初次翻译，可能会有些地方翻译的不好，不地道，甚至错误，如果有发现，还请留言，指出，以便我好修正，谢谢！