比特币的一些实现细节

一、UTXO

比特币的区块链是基于交易的账本（transaction-based ledger），区块内记录着所有交易信息。

根据区块链账本可以计算出所有未花费的交易，也就是UTXO（Unspent Transaction Output），全节点的内存中维护着UTXO数据结构，记录所有未花费的交易输出，如果一笔交易输出被花费了，那么就从UTXO中删除。

UTXO可用于验证新交易是否合法，如果新交易的来源在UTXO中搜索不到，那么该交易是无效的，不会被加入到区块中。

值得注意的是，如果某笔输出不花费出去，那么该输出将永久保存在UTXO中。

二、交易费（transaction fee）

一笔交易可能会有多个输入和多个输出，如果总输入大于总输出，差额作为交易费付给记账节点的账户，这样记账节点将更有动力将这笔交易打包进区块。公式如下所示：
$total inputs ≥ total outputs\\ transaction fee = total inputs - total outputs$

三、区块头（block header）代码解析

变量类型	变量名称	注释
int32_t	nVersion	比特币版本协议
uint256	hashPrevBlock	前一个区块的哈希
uint256	hashMerkleRoot	Merkle root 哈希，由于nNonce值的空间有限，如果尝试了所有nonce值，仍不满足target阈值，则可通过改变coinbase域前8个字节来使hashMerkleRoot变化，从而可以继续尝试nonce值，最终将获得符合要求的nonce值
int32_t	nTime	区块产生时间
int32_t	nBits	挖矿的目标阈值，编码后的target
int32_t	nNonce	最多2^32个取值，全部尝试后仍不满足就修改coinbase域

一个完整的区块包括区块头和区块体，一般在1M字节以内。

四、挖矿过程的无记忆性

伯努利试验（Bernoulli trial）：
具有两种结果的随机试验（a random experiment with binary outcome）。
每次尝试nonce值，都是一个伯努利实验。

伯努利过程（Bernoulli process）：
一系列独立的伯努利试验（a sequence of independent Bernoulli trials）
伯努利过程具有无记忆性（memoryless），前面的试验结果对后面没有影响。

泊松过程（Poisson process）：
试验次数很多，每次试验成功概率都很小。出块时间服从指数分布（exponential distribution），如下图所示：

平均挖矿时间是10min，就算已经尝试了很长时间的nonce值仍不符合要求，接下来成功找到nonce值的平均时间仍然是10min。无记忆性可保证挖矿公平，否则算力强的节点随着时间流逝会产生更强的优势，超出了算力比例的优势。

五、挖矿奖励变化与总量

挖矿奖励减半时间：
比特币规定每21万个区块奖励减半，每个区块的出块时间大约是10分钟，因此大约每隔4年出块奖励减半，推导过程如下：
$\frac{21万个区块×10分钟}{60分钟×24小时×365天}≈4年$
比特币总量：
比特币的发行依靠区块的奖励，比特币总量也就是奖励总量。最一开始的奖励是50BTC，逐渐减半，可计算出比特币总量为2100万个，推导过程如下：
$\begin{aligned} &21万×50BTC+21万×25BTC+21万×12.5BTC+......\\ &=21万×50BTC×(1+\frac{1}{2}+\frac{1}{4}+......)\\ &=21万×50BTC×(\frac{1}{1-\frac{1}{2}})\\ &=2100万BTC \end{aligned}$

六、挖矿保证比特币的安全性（Bitcoin is secured by mining）

6次确认

用户A转账给B，B需要等待6个区块的确认，才能保证转账给自己的比特币生效；
如果没有足够区块的确认，A可以发起一笔转账给自己账户A’的交易，然后重新挖矿，产生区块，在这个区块后面继续挖矿产生区块，努力让分叉成为最长合法链，使得之前A转给B的交易将会失效，B也得不到该笔资金。
如下图所示，如果B能够看到该笔交易后面已经有6个区块了，那么这条链将大概率成为最长合法链，攻击者的分叉也很难追上这条链了，B基本确保拿到了该笔资金。

零次确认（zero confirmation）

由于等待6次确认需要大约60分钟，有时可能还要长于这个时间，在某些情况下，我们无需等待区块产生或者6个区块的产生：

1. 大部分节点为诚实节点，且诚实节点默认接收最一开始的交易，即使作恶的人又发起了一笔转给自己的交易，第二笔交易一般被认为是无效的，不会被放入区块。
2. 如果是网上购物，发货本身也需要一定的时间，如果发现转账被分叉了，再撤销物流也不迟。

自私挖矿（selfish mining）

自私挖矿指的是如果挖到区块之后，不立马发布出去，而是自己接着再挖下一个区块，这时会少一些竞争，如果顺利挖到的话，一下子全部发布出去，这样自己能够获得两个区块的奖励。但是这样存在一个风险，不发布挖到的区块，别人随时可能挖到区块并发布，如果生效的话，那么自己保留的区块将会失效，也就得不到任何奖励。
所以自私挖矿需要算力足够强，才更有可能连续发布两个区块，而不至于得不到任何奖励。