学习视频来源:https://www.bilibili.com/video/BV1Vt411X7JF/?p=4
本博客除了记录视频内容学习笔记外，还包含少部分自己扩展的内容。
文章目录
- [1. 中心化数字货币](#1. 中心化数字货币)
-
- [1.1 签名方案](#1.1 签名方案)
- [1.2 签名方案改进](#1.2 签名方案改进)
- [2. 去中心化货币](#2. 去中心化货币)
- [3. 区块链节点](#3. 区块链节点)
- [4. 共识机制](#4. 共识机制)
- [5. 比特币的共识协议](#5. 比特币的共识协议)
-
- [5.1 多数节点/账户投票](#5.1 多数节点/账户投票)
- [5.2 算力投票](#5.2 算力投票)
- [5. 3 最长合法链](#5. 3 最长合法链)
- [6 出块奖励](#6 出块奖励)
1. 中心化数字货币
1.1 签名方案
比如银行要发行一种数字货币，可以使用签名方案。银行将数字货币用自己的私钥签名后发布出去。所有用户知道银行公布的公钥，在收到货币的时候，可以检验货币的真实性。在货币流通时，如用户A给用户B，B也可用银行的公钥校验货币真实性。这样虽然可以保证货币的真实性，但存在双花问题，即一个货币花了2次。因为数字货币本质就是一个文件，用户A可以给B，也可以同时给C。B、C只能验证货币真实性，不能验证是否双花。
1.2 签名方案改进
如果银行将每个数字货币进行唯一编号，并维护一个数据库记录货币当前属于某个用户，就可以解决双花问题。比如一个编号为1货币一开始属于用户A，就记录 1->A。A将货币1给B，首先银行需先确认货币1是否属于A，如果是，就将 1->A改为1->B。如果A又将货币转给C，银行发现货币1属于B，已经不属于A了，就会转账失败。这种方案是正确的，但属于中心化方案且比较麻烦，每次交易都需要向银行确认。
如何将中心化方案银行承担的职能改为由广大用户共同的承担，就是比特币系统要解决的问题。
2. 去中心化货币
一个去中心化的数字货币需要解决2个问题：
- 数字货币的发行：谁有权力发行这个货币？货币什么时候发行？怎么发行？发行多少。
- 交易有效性验证：怎么验证交易是否有效，防止双花问题。
先看第2个问题，如何验证交易的有效性，这个问题解决方案和中心化方案是有点类似的，也是维护一个数据结构，但不是有某个中心化机构维护，而是由所有用户共同维护，这个数据结构就是区块链。
比特币中每笔交易都要包含2部分，输入和输出。输入包含币的来源，输出部分包含接收者的公钥哈希。
这种数据结构有两种哈希指针，一种是连接区块的哈希指针；一种是指向前面交易的哈希指针，指向前面交易的哈希指针是为了说明币的来源，证明币是可以追溯的，不是凭空捏造的，同时也是防止双花攻击。别的节点收到区块后，会验证里边的交易是否合法，如果发现这个币发送者已经花出去了，就会拒绝区块。
A给B转账时 ，A需要知道B的地址(公钥哈希)，不然不知道要转给谁。但比特币系统并不提供这种查询，所以需要其他渠道获取。比如一个电商网站，接受比特币支付，就在自己的网站公布自己的地址。B需要知道A的公钥，不然不知道钱从谁那里转来的。不仅B需要知道，其他的所有节点都需要知道A的公钥来验证A的签名，所以A发起的交易中需要A自己的公钥。如果一个用户C的用自己的公钥替换了A的公钥，并用自己的私钥签名 ，发送给其他节点，其他节点发现交易中的公钥和货币来源中的公钥不同，就会拒绝区块。所以交易里边公钥，要跟货币的来源中的公钥哈希。
3. 区块链节点
区块包括区块头和区块体。区块头包括：比特币协议的版本、前一个区块头的哈希、默克尔根以及和挖矿相关的target和nonce。注意区块哈希是区块头的哈希，不是整个区块的哈希。区块体包含交易列表。
节点分为全节点和轻节点 ，全节点包含区块头和区块体，轻节点只包含区块头，轻节点没有办法独立验证交易的合法性，不参与区块链的构造和维护，系统中大多数都是轻节点。
那么区块是怎么被写到区块链中的呢？每个账户都可以发起交易，交易广播给所有节点，有些节点是合法的，有些是非法的。那么谁来决定哪些交易以什么顺序写到区块链中呢。如果每个节点各自维护自己的数据，各个节点之间的数据一致性得不到保证。区块链是一个共同维护的账本，账本的内容要取得分布式共识。
4. 共识机制
关于分布式共识有很多的理论研究，而且由很多不可能结论。其中最著名的是FLP，FLP是指在一个异步系统里，网络传输时延没有上限，哪怕只有一个成员是有问题节点，也不可能达到共识。还一个是CAP理论，即一致性、可用性、容错性，任何一个分布式系统只能满足其中2个。
5. 比特币的共识协议
在比特币系统中，有些节点是恶意节点，但我们大部分节点是好的，那么我们就可以使用投票的方式来达到共识 。
5.1 多数节点/账户投票
如一个节点发布区块，并广播给其他节点，其他节点验证，如果验证合法就投赞成票，否则投反对票。赞成票数超过一半就认为区块合法，否则不合法。但这样做会产生一些问题：比如恶意节点不停投票或者不投票导致系统瘫痪，无法确定网络延迟每轮投票投多久等等。
任何基于投票的共识，首先要确定谁有投票权 。如果拥有投票权的节点是有严格定义的，比如联盟链，只有大公司、有背书的公司可以加入，这样可以认为节点都是安全的。但是比特币按节点数或者账户数投票是行不通的。因为一个电脑可以启动很多个比特币节点，也可以创建很多个账户（本地产生公私钥对），在外部发生交易之前，别人是不知道的。如果一个超级电脑，启动的节点数或创建账户数超过一半的时候，就有控制权了。这就是女巫攻击。
5.2 算力投票
比特币系统不是按照多数节点/账户投票数统计，而是按照计算力投票。
每个节点都可以组装一个候选区块，区块头包含一个nonce值，节点开始尝试nonce值，使得Hash(block header)<=target。如果某个节点找到了符合要求nonce，它就获得了记账权，记账权就是向区块链写入下个区块的权力，才发布下一个区块。
其他节点收到区块之后，要验证这个区块。如block header填的是否正确，计算出的哈希是否满足阈值要求。如果符合要求，再验证区块体中的每个交易是否合法，是否有正确的签名和货币来源。如果验证不合法，区块不被接收。如果一个区块验证合法，但是它是插在中间的位置，不是插在后边，也不被接收。因为通过在中间某个地方插入一个区块，可以回滚以及发生过的交易。新的区块不应该插在中间，而应该插在最后边，扩展最长合法链。
5. 3 最长合法链
比特币协议种规定，接收的区块，应该是在扩展最长合法链。
区块链在正常情况下，也可能会发生分叉。如果两个节点同时获得记账权，并发布自己组装的区块。其他节点接收后，会发生等长的分叉。它会将先来的区块Block1写入了当前的主链（这里记为Block chain A），但这种"写入"是临时可变的，并非最终确认，将后来的区块暂存或标记为分叉区块Block2,（这里记为Block chain 2)。等长的临时性的分叉会维持一段时间。
- 如果后续收到新区块是在 Block chain A 上构建，则主链延长，Block B 成为陈腐区块；
- 如果后续收到新区块是在 Block chain B 上构建），且该链变得更长（工作量更大），节点会触发链切换，将主链回滚并切换到block chain B。
6 出块奖励
比特币协议规定，获得记账权的节点，在发布的区块里可以包含一笔特殊的而交易，即铸币交易。铸币交易是发行新的比特币的唯一方法。
这就解决了数字货币的发行问题。
除了铸币交易，其他的交易都是将比特币从一个账户转移到另一个账户，这个过程并没有新的比特币产生。包括我们将法币通过交易所兑换成比特币，中间也没有产生新的比特币。比特币在刚开始的时候，每个发布的区块可以产生50个比特币(BTC)，协议规定，每21万个区块之后，比特币数目要减半。再过21万个区块之后，产生25个比特币，再过21万个区块之后，每个区块只能产生12.5个比特币。.
如果一个节点的算力是另一个节点的10倍。那么这个节点获得记账权的概率也是另一个节点的10倍数。所以比特币是基于算力来投票的，和节点数/账号数目无关，从而避免了女巫攻击。