比特币学习之共识协议

1. 双重支付问题

数字货币和纸质货币的区别

1. 物理上的交易，纸质货币无法复制，spend以后就再也没有了
2. 数字货币可以复制，因此交易时需要验证货币的所有权

中心化数字货币的问题

1. 发行量受中心化机构控制
2. 效率问题，每一笔交易都需要中心机构核验

所有中心化的问题，都会在中心化的数字货币中有所体现

区块链中双重支付防范：

如图所示，区块链中的每个交易都包含输入和输出两部分，交易的输入是一个或者一组hash指针，指明输入来源， 指向前面的交易输出。图中第一个拥有铸币权的节点通过铸币交易，产生一个给A的10个btc, 然后A 发起交易，向B 和C 转入5比特币，此交易的输出是B和C的公钥的hash，表示要向B和C转钱。同理B向C和D在分别转入3 和 2个比特币，这些都是合法交易

观察方块外侧的非法交易，B 向 F 转入5个比特币，但是该交易输入来源是第二个交易的输出，该交易输出已在第三个交易中被引用且花完了，因此这个交易是无效的，会被系统拒绝，这个就是双花（双重支付）防范

具体到实现层面可能有所区别，但是原理类似

交易链条中药care的问题：

1. 交易中的公钥如何分发?
   • 要由交易发起方提供
2. 交易双方需要知道彼此的公钥
   • 发起方需要指明转入账户
   • 接收方需要验证发起方的身份
3. 防范伪造攻击

假设上图中的第二个交易，由T伪造了一个交易，其宣称自己是A，用自己私钥对交易签名，分别给B C 转账，但其在交易输入中指明的公钥的hash与其引用的来源（铸币交易中的输出，A的公钥的hash）对应不上，则同样无法被验证通过

这里要注意，区块形成区块链，交易本身也可以形成一个可回溯的交易的链条

区块结构

bitcoin的区块结构
Header 中的内容(Check):

1. version
2. hash of prev block header
3. target
   • 挖矿难度目标值
4. nonce
   • 与挖矿有关
5. root hash of merkle tree
6. nbits

Body 中的内容：

1. 交易列表 tx list

比特币中形成链表的是block

轻节点：只保存block header信息和与自己有关的交易信息，一般不能进行独立验证
全节点：保存、构造、维护区块链信息，能够进行完整的交易验证

区块链结构

digraph demo{
    subgraph cluster_n1 {
        node[shape="box"]
        blk_h1[label="header"];
        blk_body[label="body"];
    }

    subgraph cluster_n2 {
        node[shape="box"]
        blk_h2[label="header"];
        blk_body2[label="body"];
        // blk_h2->blk_h1
    }
    subgraph cluster_n3 {
        node[shape="box"]
        blk_h3[label="header"];
        blk_body3[label="body"];
        // blk_h3->blk_h2
    }
    blk_h3->blk_h2;
    blk_h2->blk_h1
}

这个结构中区块头部形成链条，body中存储的是交易，header中保存的信息如前文所述。

共识问题

两个或者多个全节点产生区块时，可能会产生一致性问题，比如节点A B 打包了不同的交易，准备放到区块链的尾部上，此时两个本地链就产生了差异

分布式共识(consensus)/分布式一致性：
1. 不可能结论1. FLP 不可能结果，异步系统中，如果有一个成员是有问题的（faulty）, 那么该分布式系统不可能取得共识
2. CAP理论(CAP 不可能三角)：
    * Consistency 一致性，即所有节点维持的数据都是最新的，且一致的
    * Avalibility 可用性，即可靠性
    * Partition Tolerance 分区容忍性，部分节点出问题的情况下仍然可以工作
    * CAP 理论支出以上三者不可能同时满足，在系统设计中只能综合考虑

3. 著名协议，Paxos

比特币共识，假设前提是系统中大部分节点是好的，恶意节点只占少数
比特币要取得的共识是:唯一合法的区块链

1. 基于投票的共识方案，即某个节点提出候选区块后，所有节点参与投票确认该节点是否加入链
   • 需要确定投票权，如符合条件的节点、或者账户、或者算力
     • 女巫攻击：产生大量账户，达到总数一半时，就拥有决定权,这里应当衍生一下，即可以生成大量节点（透过一些方法减轻节点成本），再按节点投票的情况下，就能取得控制权。用IP投票也是
2. 比特币的投票方案：依据算力投票
   • 即挖矿过程中，组装好区块后，尝试各种nonce值，直到满足指定条件的hash
   • 如果找到了，即拥有了记账权，就可以将候选区块放入区块链中
   • 其他节点，需要验证区块是否合法，验证区块中的交易是否合法（合法签名、未花费过）
   • 算力投票来说相对比较公平，在女巫攻击的模式下，不会对算力产生影响，算力有时候被称为hash rate(hash 计算次数/sec)

区块认可：加入本地区块链，扩展。后续说矿工挖矿的时候会详细说明这个过程

最长合法链,Q：非最长合法链如何产生的？
比特币的系统是一个分布式系统，并且是异步的，那么就有部分节点信息有所滞后, 如下图所示:

digraph demo{
    subgraph cluster_n1 {
        label="blk1"
        node[shape="box"]
        blk_h1[label="header"];
        blk_body[label="body"];
    }

    subgraph cluster_n2 {
        label="blk2"
        node[shape="box"]
        blk_h2[label="header"];
        blk_body2[label="body"];
        // blk_h2->blk_h1
    }
    subgraph cluster_n3 {
        label="blk3"
        node[shape="box"]
        blk_h3[label="header"];
        blk_body3[label="body"];
        // blk_h3->blk_h2
    }
    subgraph cluster_n4 {
        label="blk4"
        node[shape="box"]
        blk_h4[label="header"];
        blk_body4[label="body"];
        // blk_h3->blk_h2
    }
    blk_h4->blk_h3
    blk_h3->blk_h2;
    blk_h2->blk_h1
    subgraph cluster_n5 {
        label="blk1"
        node[shape="box"]
        blk_h5[label="header"];
        blk_body5[label="body"];
        // blk_h3->blk_h2
    }
    subgraph cluster_n6 {
        label="blk2"
        node[shape="box"]
        blk_h6[label="header"];
        blk_body6[label="body"];
        // blk_h3->blk_h2
    }
    subgraph cluster_n7 {
        label="blk3'"
        node[shape="box"]
        blk_h7[label="header"];
        blk_body7[label="body"];
        // blk_h3->blk_h2
    }
    blk_h7->blk_h6
    blk_h6->blk_h5
}

图中左侧是系统中大多数节点的状态，即1->2->3->4已经形成了链，而右侧是某些迟滞节点的状态，它成功挖出了一个新的区块blk3', 并且其prev_blk_hash 指向 blk2。这种情况下，区块链相当于产生了分叉，比特币的系统设计要求最长合法链才是有效的，图中右侧的状态会被丢弃(blk3' 及其产生的区块奖励都会被丢弃)

上图中的blk3' 叫做orphan block(孤儿区块)

分叉攻击：区块链中插入区块，从而回滚交易

投票权：算力(hash rate)
如前所属，基于算力的投票使得投票相对公平，算力较强的节点拥有更多的机会加入区块。