比特币系统交易原理浅析

Posted 2022-01-29 qq_38743530

本文中，所有H()标识hash函数

1.比特币技术点

• 非对称加密（ ECDSA椭圆曲线加密算法）
• 哈希算法（sha-256）
• 链表
• 二叉树

2.比特币数据结构

比特币区块链就是如图所示的一个链表。每个区块分为两部分，区块头、区块体。要实际了解区块的具体信息，可访问 https://btc.tokenview.com/cn

2.1区块体

区块体是一颗二叉树，所有交易信息都保存在叶子节点（这些交易分为两种：1.铸币交易，可以凭空造指定数量比特币，没有转账人（转账地址），只有收款人（收款地址）。2.普通转账交易，转账人、收款人都有，需要校验转账人的账户是否有足够余额）。按照上图所示，一级一级向上求hash值，最终生成一颗merkle tree（可信树）。树的指针为子节点的hash值。

2.2区块头

区块头是一些区块的元信息，包括:

• hash（指向前一个区块的指针哈希指针，是前一个区块的hash值，而不是普通链表中的内存地址，至于如何通过前一个区块的hash值寻址到前一个区块，可以看后续内容）
• version（协议版本号）
• merkle root hash(可信树的根哈希，可信树就是区块体，也就是区块体的根节点的哈希值)、区块产生时间
• nBits（挖矿采用的目标阈值，用来确定挖矿难度，根据算法调节，不可以随意更改，以保证区块的平均出块时间稳定在10分钟，后续具体介绍）
• Nonce（挖矿需要寻找的随机数）
• 其它数据

图片来源于 北京大学肖臻老师《区块链技术与应用》公开课笔记5——BTC具体实现篇

3.BTC挖矿的实质

挖矿本质上就是不断调整block header中的nonce值，使整个block header的哈希值小于等于给定的目标阈值（也就是nBits编码前的值 target）。target越小，挖矿难度越大。
比特币系统采用的哈希算法为SHA-256，所以hash值的结果有2^256种可能。target是256位二进制数，target越小，前面的0越多（如 0000000000001···110101），所以调节nonce值使得block header的哈希值得到的目标哈希值也要前面有很多0。（随着难度的提升，某些情况下，即使尝试nonce所有可能值，有2^32种可能，都无法使得block header的哈希值小于等于target，这时情况下怎么办？后续会有方案。）

4.BTC挖矿难度计算

比特币的平均出块时间稳定在10分钟，这是怎么实现的呢？
1.在BTC协议中规定，每隔2016个区块需要调整一次难度，也就是target值，根据10min产生一个新区块可以得到，大概需要14天的时间。
2.target计算方法：
target=target*actualTime/expectTime

actualTime：最近2016个区块实际花费时间，累加
expectTime：2016个区块期望花费时间，固定值 2016*10分钟

5.交易

上述区块体中，每一个叶子节点，都是一笔可信的交易。此小结主要介绍比特币系统交易的数据结构。
图1：区块头截图，截图来自网址： https://btc.tokenview.com/en/block/716888

图2：区块交易列表截图，截图来自网址： https://btc.tokenview.com/en/block/716888

如图2所示，第一笔为.铸币交易，后续都是普通转账交易。

图3：.铸币交易详细信息

如图3.铸币交易，c19ed29106bba7b7c11ab44224446a46fdb4f498a7d3ec2f6b4b196e15241b8f是交易的哈希值。Input是交易的输入地址列表，因为是铸币交易不需要输入地址（付款方），只需要输出地址（收款方），所以此处可以随意写任何字符串。