I.C.S.21.006.Account.Bitcoin

I.C.S.21.006.Account.Bitcoin

加密货币已经是整个金融系统的重要组成部分。

1、加密算法

加密技术是Bitcoin能够成立的基础，分私钥/公钥，从私钥算公钥很容易，从公钥反推私钥在计算上不可行。Bitcoin利用密钥巨大的数据集代替账号，随机生成几十亿个账号也不可能有重复的可能性，全世界所有人可以共享同一个账本。

以自托管钱包为例，钱包在本地生成一个随机数私钥 k（256-bit），再由私钥推导出 公钥 K = k·G（椭圆曲线运算），再由公钥派生出 地址（address，不同链规则不同：BTC 是 hash160+编码），这个地址可以用来收取Bitcoin。

比如，对方的钱包会构造一笔交易，内容包括：（1）收款地址 = 你的 addres；（2）金额 = 1 个币；（3）手续费参数 = gas/fee，然后对方用自己的私钥对这笔交易签名（证明“这笔钱确实是我有权花的”），对方签完名后，钱包把交易广播到网络节点。

这里有一个问题是私钥 k是随机生成的，那么有没有可能碰巧生成某个已用地址？其中概率有多大？假设已经用过的地址是10^9（10 亿），碰巧碰撞的概率如下：
这是天文级别的低概率。

2、数据结构

Bitcoin的数据结构主要包括两个部分：（1）Block chain（区块链数据），这部分记录从创世块以来的“历史票据”；（2）UTXO set（Unspent Transaction Output），记录所有未结清票据的清单，在银行账户模型里，每个账户有一个余额数字，而在Bitcoin 的 UTXO 模型里，“钱”不是账户余额，而是一张张可花的“未花费输出”（UTXO）。

（1）Block chain

Block chain包括两个部分：（1）Block header，相当于一捆捆票据的号码，每一捆都引用前一捆的号码，把所有历史串起来，区块头的数据中还包括用于验证票据的（Merkle root）、携带 PoW 验证字段（nBits、nonce、timestamp 等）；（2）Block body，这是存放票据清单的地方，包括第一笔 coinbase + 其他票据的原始序列化数据。

一捆票据的号码通过hash生成，需要耗费大量的资源（PoW，Proof of Work），PoW跟私钥/公钥类似，都是利用数学上的不对称，PoW的特点是难做易验，集全网的算力每10分种出1块，产生后可以把这期间的票据打包压缩后写入这个区块。这中间还搞了奖励机制，区块一般是由矿工挖出来的，矿工除了得到奖励的加密货币以外，打包写入的票据中都包含了手续费，这些手续费也是归矿工的。

Bitcoin的票据类似于AMEX在100多年发行的旅行支票，当时的旅行支票是一本本出售的，里面是一张张固定金额的支票（例如 $10/$20/$50/$100 等），使用时把对应金额的支票撕下来。Bitcoin的方法是类似的，一张未兑现的票据包括：（1）outpoint：这张支票的编号（由哪笔交易开出的第几张）；（2）value：面额；（3）locking script：谁能兑现/兑现条件。

Bitcoin的数据结构注定了很难取代Visa/Mastercard的地位，Visa公开材料中宣称其每秒的处理能力超过65000笔，10分钟是3900万笔（大约GB～几十GB的数据），分布式的数据库根本没办法应对，无论是存储还是网络间的传输。

可行的解决方案是把绝大多数交易验证与存储移到其他地方，比如，交易所，主链只承担低频、可审计的净额结算或争议仲裁，这跟传统的支付结算系统没什么区别。

（2）UTXO set

UTXO（Unspent Transaction Output）是另一件核心的数据结构，在任何的时点，系统中肯定有一批未兑现的票据，UTXO set是所有未兑现票据的清单。
  1. 一个 UTXO = “某笔历史交易产生的一条输出，尚未被后续交易花掉”；
  2. 验证一笔新交易时，节点必须逐条检查它引用的每个 input 对应的 UTXO 是否存在、是否未花费、锁定脚本是什么、金额是多少。

3、关键假设

Bitcoin的底层是“数据库+驻守程序”，几乎所有的分析都是以一个完美假设为前提，那就是“数据库+驻守程序”不会出问题，肯定不是事实。

Bitcoin当前的价值是2万亿美元左右，背后只是一个个数据的节点，驻守这些数据节点的主要软件是Bitcoin Core，根据Coin Dance的统计，25032个public nodes中，19480个是Bitcoin Core，5519个是Bitcoin Knots，Knots本质上也是Bitcoin Core的代码分支。该项目在GitHub 上维护主仓库（bitcoin），参考：《Bitcoin Core》，在公开报道与社区讨论显示目前有6人在维护Bitcoin Core的代码，包括：Marco Falke、Gloria Zhao、Ryan Ofsky、Hennadii Stepanov、Ava Chow、TheCharlatan。

数据库分布在网络上各个节点，或许没有谁能破坏所有的节点（这跟银行的备份数据库是相同的逻辑），但是每个节点都有“驻守程序”，单一版本的“驻守程序”能触及80%以上的节点，而这些程序由6个来路不明、身份不明的人负责维护。

以下是历史上发生过的错误事件。
  1. 2010 Value overflow：验证逻辑缺陷导致区块里出现不应存在的超大发币，参考：《Value overflow incident》。
  2. 2013 链分叉：版本差异导致网络分裂成两条链，参考：《11/12 March 2013 Chain Fork Information》。
  3. 2018 CVE-2018-17144：官方披露包含 DoS + critical inflation vulnerability，参考：《Disclosure of CVE-2018-17144》。

4、算法规则

Bitcoin的数据结构指向“账本应该长什么样、资产如何表达”，而算法规则指向的是“在不可信环境中如何执行、如何收敛、如何抵抗作恶与故障”，具体包括：
  1. 共识层（Consensus），当同时有多个候选“下一页账本”时，选哪一页，共识的作用是全网最终收敛到同一条历史主线（不是即时，但概率收敛）；
  2. 网络层（Networking），交易和区块如何在开放网络里传播，确保候选数据能被看到，否则共识也无从谈起；
  3. 验证与存储层（Validation & storage），每个节点如何把“历史页 + 状态转移”落到本地，形成可复现的账本副本。

（1）Consensus

共识是算法规则的核心。
  1. PoW（Proof of Work，工作量证明）
在一个开放网络里，“无成员名单、任何人可加入”的系统里，如果“1 个节点 = 1 票”，攻击者可以轻易开 1 万个节点，就拿到 99.99% 的票——系统立刻被攻破。所以必须把“影响力”绑定到一个难以免费复制的资源，而不是绑定到身份数量。

在 PoW的工作机制中，谁先完成 PoW，谁就赢得把一批交易打包成区块并广播的机会（提案权），因此，“谁能更快出块/更影响链”取决于你占全网算力的比例，而不是你注册了多少节点。
  1. Chain selection（most accumulated work，最大累计工作量）
Bitcoin的网络做不到瞬时同步，PoW 的“谁先完成”是一个全局事实，但在现实网络里不同节点知道这个事实的时间不一样。于是会出现短时间内的“并发提案”，当节点看到多条分叉链时，选择“累计工作量最大”的那条作为主链（tip）。

可能出现的情况是某笔交易包含在某个分叉链，但是这个分叉链最终没有成为主链，该交易从“主链已确认”退回到“未确认（unconfirmed）”状态，然后被节点重新放回mempool（未确认交易池），等待再次被矿工打包进主链的新区块，这种来回确认是牺牲效率换取可靠性的必然结果，Bitcoin有一非常强的设计目标，包括：（1）无成员名单（permissionless）；（2）不依赖身份（Sybil 在身份层无解）；（3）网络存在传播延迟与分区可能（现实互联网）；（4）仍要在对抗环境中收敛到统一历史。

在这组目标下，“短分叉 + 最终收敛”几乎是结构性现象，要么接受它（概率终局），要么就得引入别的结构（成员名单、委员会、中心化排序者、或更强同步假设）。
  1. Probabilistic finality（confirmations，确认数）
“交易最终不可逆”不是一个即时布尔值，而是一个概率，随确认数增加而迅速变小。比如，一笔交易被打包进区块 B：它有 1 次确认，在 B 后面又追加了 k 个区块：它有 1+k 次确认（常说 “k confirmations” 指后续追加了 k 个块）。

想把该交易回滚掉，攻击者必须从 B 的父块开始重挖一条替代链，并让替代链累计工作量超过当前链。需要重挖的区块越多，成本越高，成功概率越低。

在具体实践中，钱包/商户/交易所会设定：小额：1–3 次确认可能接受；大额：6 次确认是传统经验阈值（不是神数，只是把风险压低）。

（2）Networking

网络层解决交易和区块如何在开放网络里传播，确保候选数据能被看到，否则共识也无从谈起。
  1. Gossip relay（交易池、区块传播）
在没有中心服务器的情况下，如何把新交易、新区块扩散到全网，让矿工能打包、让节点能验证、让全网视图最终收敛，包括了交易传播和区块传播。
    1. 交易传播（tx relay）
      1. 你把交易发给一个节点（或你的节点生成交易）。
      2. 节点做基础检查（格式、签名、是否双花、费用/策略等）。
      3. 通过后放入本节点的 mempool（未确认交易池）。
      4. 节点用“八卦/口耳相传”（gossip）把交易告诉邻居节点（不是一次发全量，通常先发“我有这笔交易的 ID”再按需发正文，以节省带宽）。
    1. 区块传播（block relay）
      1. 矿工挖到新区块后广播。
      2. 收到区块的节点先验证区块头 PoW、结构、交易等。
      3. 通过后写入本地，并继续转发给邻居。
用效率换取可靠性的代价包括：（1）传播延迟导致短分叉不可避免；（2）mempool 不一致（各节点看到的交易集合不同）；（3）区块越大、传播越慢 → stale block 更高 → 有效吞吐下降。
  1. Peer discovery（无成员名单）
开放网络里，新节点上线后需要回答：“我该连谁？”没有中心目录、没有成员名单，必须有一套“冷启动 + 自组织发现”的机制，节点实际怎么做？
    1. Bootstrapping（引导）：新节点用一组预置“种子”地址拿到第一批 peers（例如 DNS seeds 解析出一些可连接节点）。
    2. 地址传播（addr gossip）：连上几个节点后，彼此交换“我还知道哪些节点地址”（IP:port），逐步扩展对等体集合。
    3. 地址管理（addrman）：节点本地维护一个地址库，记录历史见过的 peers，下次启动可直接尝试连接。
    4. 连接策略：节点通常维持一定数量的出站连接，并允许一定数量入站连接（若开放端口）。
用效率换取可靠性的代价包括：（1）爬虫可枚举可达节点；（2）Eclipse 攻击风险：攻击者试图控制你连接到的邻居，让你看到“被投喂的网络视图”；（3）需要连接管理策略（随机化、分散 AS、限制同网段等）来降低被隔离概率。
  1. Anti-DoS / relay policy（影响可用性，但不是共识）
在开放环境下保持网络活性，防止垃圾把系统拖死，开放网络里任何人都能连你、给你发垃圾数据。要防：
    1. 带宽/CPU/内存被打爆（DoS）
    2. mempool 被垃圾交易塞满
    3. 传播被恶意放大（放大攻击）
    4. 节点被迫做大量昂贵验证
节点实际怎么做？
    1. 连接层防护：限制入站连接数量、每 IP 的连接数；对异常行为的 peer 断开/惩罚（ban/score）；速率限制（rate limit）。
    1. 交易中继策略（relay policy）：只转发满足“标准性（standardness）”与最低费率门槛的交易；丢弃明显不经济的 dust 输出/过大脚本等；mempool 有容量上限，拥堵时优先保留费率高的交易。
    1. 区块/交易的早期拒绝（cheap checks first）：先做便宜检查（格式、大小、基本结构）；再做昂贵检查（脚本验证、签名验证），避免被垃圾拖垮。

（3）Validation & storage

这个部分解决每个节点如何把“历史页 + 状态转移”落到本地，形成可复现的账本副本，确保每个节点都能独立复现同一结果（在同一规则下）。
  1. Full validation（逐块逐交易验证）
让每个节点不依赖任何第三方，仅凭自己拿到的数据就能判断：（1）区块是否有效；（2）交易是否有效；（3）该链是否符合共识规则。收到一个新区块（header+body）后，节点典型验证包含：
    1. 区块头级检查（便宜）
      1. prev_hash 是否指向已知父块；
      2. PoW 是否满足难度目标；
      3. 时间戳是否在规则范围内；
      4. 难度（nBits）是否符合难度调整规则。
    1. 区块体级检查
      1. 交易列表解析是否正确
      2. 第一笔是否 coinbase，且 coinbase 格式合规
      3. 区块大小/weight 是否符合共识上限
    1. 逐笔交易验证（贵）
      1. 语法有效、不会产生负值/溢出
      2. inputs 引用的 UTXO 确实存在且未花费（防双花）
      3. 脚本/签名验证通过（解锁条件满足）
      4. sum(inputs) ≥ sum(outputs)（差额是手续费）
      5. coinbase 奖励不超发（subsidy + fees 上限）
这一步是“驻守程序”的核心门禁。任何一条不满足，区块无效，节点拒收，不写入主链视图。
  1. Chainstate（UTXO set）维护
运行态索引，把“流水”折叠成“未结清明细”，让节点在验证新交易/新区块时，不必回溯全历史，而是用一个“当前状态索引”快速判断：（1）某个 input 引用的输出是否还未花费；（2）花费后如何更新“未结清票据清单”。

UTXO set 的每条记录本质包含：（1）outpoint = (txid, vout) 作为键；（2）value（金额）；（3）locking script（锁定条件）；（4）以及一些辅助元信息（例如是否 coinbase、确认高度等）。

对每笔交易：（1）对每个 input：从 UTXO set 删除它引用的 outpoint（标记为已花费）；对每个 output：把 (txid, index) + (value, scriptPubKey) 加入 UTXO set。

所以 chainstate 是“运行态”，不是区块的一部分；它是从区块历史确定性推导出来的状态。

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