区块链学习笔记3——BTC协议
学习视频：北京大学肖臻老师《区块链技术与应用》
笔记参考：北京大学肖臻老师《区块链技术与应用》公开课系列笔记——目录导航页
数字货币所面临的主要挑战
Double spending attack（双花攻击，同一张数字货币可以复制的使用）
防范：通过一个可信第三方（如央行）维护一个很大的数据库存储每张货币的所有人，对每张货币添加一个唯一编号，当一个人花掉这张货币的时候，这张货币的所有人也会相应的发生变化，
去中心化
- 所谓去中心化即没有可信第三方的参与，那么就需要解决数字货币的发行由谁执行？如何发行？发行多少？什么时候发行？
在传统中心化货币体系中，这些问题我们可以交给第三方机构（如央行）。当引入去中心化思想后，系统中节点平等，交易不通过第三方，那么货币发行权的分配必然是一个需要解决的问题。
比特币通过挖矿来决定货币的发行权，发行量
- 去中心化如何防范双花攻击，恶意用户等
该问题的解决，依赖于系统中维护的一个数据结构，记录货币的使用情况（是否被花过？被谁花过？）。该数据结构由系统中全体用户共同维护，保证了交易的有效性。该数据结构，便是区块链。
简单的区块链交易模型
在该模型中，A获得了铸币权，发行了十个币，在第一个交易中，A转给了B五个币，转给了C五个币，A对该交易签名，同时，通过一个指针指出了这十个币的来源，后面的两个交易类似。
在进行交易时，需要付款人的签名和收款人的地址，在比特币系统中，该地址即为收款人的公钥的哈希。可以将其视为银行账户，根据此进行转账交易。（虽然公钥可以公开，但实际中更多公开的是公钥的哈希）
在交易中，收款方需要知道付款方的公钥，从而验证A签名是否有效。即A需要提供自己的公钥（实际上其他节点都需要知道付款方公钥，验证交易合法性）实际中A转账时候提供的公钥需要和铸币交易中公钥对的上，这样就防止了恶意节点伪造A的公钥来“偷”走A的比特币。
在比特币系统中，通过执行脚本实现上述验证过程。将当前交易输入脚本与前一个交易输出脚本（说明币的来源的交易）拼接执行，如果可以正确执行，说明交易合法。
在该图中，一个区块仅含有一个交易，实际中一个区块中包含多个交易，交易通过Markle Tree组织起来，在区块中存储。
区块信息
| Block header | 区块头 |
|---|---|
| Version | 比特币的协议版本 |
| Hash of previous block header | 区块链中指向前一个区块的指针 |
| Merkle root hash | 整课Merkle tree的根哈希值 |
| Target | 难度目标阈值（比特币有关） |
| nonce | 随机数（比特币有关） |
Merkle root hash保证了block body内容不被篡改，所以只需要计算block header即可保证整个区块内容不会被篡改
| Block body | 区块体 |
|---|---|
| Transaction list | 交易列表 |
Full node：保存区块链的所有信息，验证每一个交易
Light node：只保存block header，不参与区块链的构造维护
Distributed consensus（分布式共识）
FLP impossibility result
系统网络传输是异步的，网络时延没有上限，哪怕系统中有一个成员是faulty的，那就无法达成共识。
CAP Theorem
C:consistency 一致性
A:Availability 可靠性
P:Partition tolerance 容错性
任何一个分布式系统中这三个性质最多只能满足两个。
Consensus in BitCoin（比特币中的共识协议）
存在的问题：系统中存在恶意结点
1.直接投票
某个结点发布交易到区块链中，其他结点检查该区块，通过投票决定是否将其加入到区块链中，如果赞成票数超过一半，则加入区块链。
问题1——恶意结点不断打包不合法区块，导致一直无法达成共识，时间全浪费在投票上
问题2——无激励机制，有些节点不会投票
问题3——网络延迟为止，投票等待时间不确定，效率上会产生问题
女巫攻击——比特币系统允许任何人加入，只需要本地创建公私钥对即可创建账户。这样，恶意用户只需不断产生新的节点，当节点数达到一半以上时就会有区块链的控制权，操纵投票结果。
2.算力投票
算力投票是比特币使用的共识协议，即通常所说的“挖矿”，每个结点都可以自行组装区块，尝试各种nonce值，当找到某个符合条件的nonce时便获得了记账权，从而将区块发布到系统中，其中节点收到区块后可以验证其合法性，如果系统中大多数结点验证通过，则接受该区块。
forking attack（分叉攻击）
如上图所示，A对同时给两个用户转账。在两条链上，发现交易都合法，这是典型的双花攻击。A先给B转账后，通过分叉攻击将交易回滚，把钱又转回来，这在验证上是可以通过的。
但在实际的比特币系统中，这种情况很难发生，因为大多数矿工认可的是最长的合法链，会沿着上面的链继续挖下去，如果A想回退这个记录，就必须使得下面的链比上面的还要长，理论上需要达到51%的算力才能攻击成功，实际中这是很困难的。
如上图所示，在区块链正常的工作中，也可能会发生分叉，当连个节点同时获得记账权时，会有两个区块同时上链，此时会有两个等长的合法链。在缺省情况下，节点接受最先听到的区块，该节点会沿着该区块继续延续，但随着时间延续，必然有一个链胜出，由此保证了区块链的一致性。
Block reward（出块奖励）
出块奖励是比特币中的激励机制，获得记账权的结点在发布的区块中可以加一个特殊的交易（铸币交易），这是发布比特币的唯一方法，不需要指明币的来源。
最开始每个区块可以发布50个比特币，每过21万个区块比特币会减半，现在只有12.5个比特币。
