内容整理自 北京大学肖臻老师《区块链技术与应用》公开课 04-BTC-协议
数字货币容易产生双花攻击 double spending attack
中心化解决double spending：给货币制定编号，维护一个大数据库，用来记录某编号的货币在谁手里。
去中心化要解决的两个问题：
1.谁发行？在比特币中是由挖矿来解决。
2.验证交易的有效性，防止double spending attack。那么如何验证交易有效性？
与中心化类似，需要维护一个数据结构，记录某币是否被消费，被谁消费过。只是这个数据结构由所有用户共同维护，而不是中心化机构维护，这个数据结构就是区块链。
比特币系统中每个交易都包含输入和输出两部分，输入部分要说明币的来源以及付款人的公钥，输出部分要给出收款人的公钥的哈希。
转账交易要说明币的来源，即花掉的币从哪来的：1.防止币是凭空捏造的 2.防止double spending.
转账交易（A-->B）需要的信息：A的签名，B的地址。
A需要知道B的地址，比特币中收款地址是通过公钥推算出来的，地址相当于银行账号，而公钥是可以公开的，不需要保密。
B需要知道A的公钥，大家都需要知道，代表A的身份，用来验签。
A--->B交易中A的公钥要与币的来源中A的公钥的哈希对得上。如果此时有B’伪造一对公私钥，冒充A给B转账，虽然B'的公钥能够验签成功，但是该公钥与币的来源中公钥的哈希值对不上，所以无法伪造交易。
图中一个简化假设是每一个区块只有一个交易，实际系统中每个区块可以包含很多笔交易，这些交易组织成merkle tree。每个区块分成块头 Block header和块身 Block body两部分。
| Block header保存区块的宏观信息 | Block body保存交易列表 |
| --version比特币哪个版本的协议 | --transaction list |
| --hash of previous block header指向前一区块的指针 | |
| --Merkle root hash整个merkle tree的根哈希值 | |
| --target挖矿的难度目标阈值的编码nBits | |
| --nonce随机数 |
注意：前一个区块的哈希，算的只是区块的block header，不包含block body。header中的root hash就已经能保证了body中所包含的交易列表是没有办法被篡改的。类似下图：
另一个简化假设是每一个节点都会验证所有交易的合法性。但是实际中，系统中的节点分为全节点 full node和轻节点 light node。其中，全节点保存所有信息，验证每一个交易，所以全节点也叫作fully validating node。但是轻节点只保存header，没法独立验证交易合法性以及某交易是否double spending。系统中大部分是light node，full node不是很多。
分布式共识
上面说的是区块链中所包含的内容，那么这些内容如何被写到区块链中？每个节点都可以发布交易，交易广播给所有节点，有些交易合法而有些交易非法。那么谁来决定哪些交易应该被写到下一个区块中？按照什么样的顺序写？
账本的内容，要取得分布式的共识 distributed consensus。分布式共识一个简单例子就是分布式哈希表 distributed hash table。其中要取得共识的内容是key-value pair.
分布式理论：
1.不可能结论 FLP impossibility result.
在一个异步系统 asynchronous中（网络传输延迟无上限）,即使只有一个成员有问题 faulty，也不可能取得共识。
2.CAP Theorem.
Consisence 一致性/ Avalilability 可用性/ Partition tolerance 分区容错性。最多满足两个，不可能都满足。
分布式共识中的一个协议：Paxos协议，保证了一致性
Consensus in BitCoin 比特币中的共识协议：
该协议要解决的是，有些节点是恶意的，假设系统中大多数节点是好的，有恶意的是少数。
---投票
问题：
1.节点本身有恶意的，不断地提出非法候选区块，大家不停地进行投票，造成时间浪费在投票上
2.各别节点不投票，行政不作为
3.效率问题。网络延迟，投票等待时间
4.membership问题。确定谁有投票权，不是谁都可以加入，比如联盟链协议 hyperledger facric，只有大公司可以加入，这种情况下基于投票是可行的。但是比特币系统中创建账户很容易，不需要外部批准。恶意节点可以不停地产生账号，占据控制权，操纵投票结果，这就是女巫攻击 sybil attack。所以简单，直接的投票在比特币中不可行。
比特币中投票不是按照账户数目，而是按照算力投票。每个节点都可以在本地组装一个候选区块，把认为合法交易放在区块中，然后开始尝试各种nonce值，即H(block header) <= target, header中有一个随机数nonce,组装好区块后就开始试随机数nonce(4 bytes).如果某个节点找到符合要求的nonce，就会获得记账权，即往比特币去中心化的账本里写入下一个区块的权利。只有找到nonce，获得记账权，才有权发布下一区块，其他节点收到区块，验证合法性，比如验证header中的内容是否正确，验证body中每个交易是否都是合法，有合法的签名，以前也没有被消费过。
但是，也不是说一个区块只要经过检查，header和body中的交易列表都符合要求，就一定会被接受。如图：
出现分叉的情况：
如图，A-->A'的区块中包含的交易都是合法的，但是插在了区块链中间（根据hash of previous block header判断区块位置），比如A先把钱转给了B,又把钱转给了自己A'，这个交易是合法的，不属于double spending（验证double spending是从当前区块到币的来源之间，中间的区块是否有花过这些币）。A-->A'是想把A-->B的交易回滚掉，把钱再转给自己，虽然交易合法，但是不在最长合法链 longest valid chain中，上面的链才是最长合法链。所以在比特币中，接收的区块应该是在最长合法链中。A-->A'例子其实是分叉攻击 forking attack，通过往区块链中间位置插入区块，来回滚某个已经发生过的交易。
正常情况下也会出现分叉，比如两个节点同时获得记账权，这时候会出现两个等长的分叉，如图后半部分的分叉，此时这两个都属于最长合法链。如果出现系统中两个节点同时发布区块，这种等长的，临时性的区块会维持一段时间，直到某一个分叉最后胜出（被扩展），另一个被丢弃，叫做orphan block。
通过竞争，争夺记账权的好处：
1.获得记账权的节点本身有一定的权利，可以决定哪些交易被写进下一个区块，但不是主要动力，凡是合法交易都应可以被写入区块中。
2.出块奖励 block reward。获得记账权的节点，在发布的区块里，可以有一个特殊交易，即铸币交易 coinbase transaction。在这个交易中可以发布一定数量的比特币，这就是开始提到的去中心化要解决的第一个问题：谁来发行比特币。coinbase transaction是比特币系统中产生新的比特币的唯一方法，造币数量50BTC-->25BTC-->12.5BTC，每21万个区块（4年）出块奖励都要减半。orphan block中的出块奖励无效。
比特币系统中要取得的分布式共识是去中心化账本中的内容，只有获得记账权的节点才能往里写东西，想要获得记账权，就要解puzzle，就是H(block header) <= target。puzzle friendly的性质保证求解puzzle的过程没有捷径，只能一个个nonce去试。算力大的节点，获得记账权的概率也大，这就是比特币中投票的特殊性，看每秒钟能试的nonce的数目，也就是hash rate，它决定投票权重，hash rate越高，获得记账权，得到出块奖励的概率也就越大。
可以防范sybil attack，因为投票靠算力，与多少账户无关，创建的账户多，不会使hash rate增加，投票权重没变。
比特币中争夺记账权的过程也叫挖矿 mining。把比特币比作数字黄金 digital gold，矿工 miner就是争夺记账权的节点，而区块就是通过挖矿挖出来的。
