比特币交易验证解锁脚本签名

A. 4. 比特币的密钥、地址和钱包 - 精通比特币笔记

比特币的所有权是通过密钥、比特币地址和数字签名共同确定的。密钥不存在于比特币网络中，而是用户自己保存，或者利用管理私钥的软件-钱包来生成及管理。

比特币的交易必须有有效签名才会被存储在区块中，因此拥有密钥就拥有对应账户中的比特币。密钥都是成对出现的，由一个公钥和一个私钥组成。公钥相当于银行账号，私钥就相当于银行卡密码。通常情况下密钥由钱包软件管理，用户不直接使用密钥。

比特币地址通常是由公钥计算得来，也可以由比特币脚本得来。

比特币私钥通常是数字，由比特币系统随机( 因为算法的可靠性与随机性正相关，所以随机性必须是真随机，不是伪随机，因此比特币系统可以作为随机源来使用 )生成，然后将私钥作为输入，使用椭圆曲线算法这个单向加密函数生成对应的公钥，再将公钥作为输入，使用单向加密哈希函数生成地址。例如，通过公钥K得到地址A的计算方式为：

其中SHA256和PIPEMD160被称为双哈希或者HASH160，Base58Check是带有验证功能的Base58编码，验证方式为先计算原始数据(编码前)的验证码，再比较编码后数据的验证码，相同则地址有效，否则无效。而在使用Base58Check编码前，需要对数据做处理。
处理方式为： 版本前缀 + 双哈希后的数据 + 校验码
其中版本前缀是自定义的，如比特币私钥的前缀是0x80，校验码是把版本前缀和双哈希后的数据拼接起来，进行两次SHA256计算，取前4字节。得到处理的数据后，再进行Base58编码，得到最终的结果。

下图是Base58Check版本前缀和Base58编码后的结果

密钥可以采用不同的编码格式，得到的编码后结果虽然不同，但密钥本身没有任何变化，采用哪种编码格式，就看情况而论了，最终目的都是方便人们准确无误的使用和识别密钥。
下图是相同私钥采用不同编码方式的结果：

公钥也有很多种格式，不过最重要的是公钥被分为压缩格式和非压缩格式，带04前缀的公钥为非压缩格式的公钥，而03，02开头的标识压缩格式的公钥。

前面说过，公钥是椭圆曲线上的一个点，由一对坐标(x, y)表示，再加上前缀，公钥可以表示为：前缀 x y。
比如一个公钥的坐标为：

以非压缩格式为例，公钥为(略长)：

压缩格式的公钥可以节省一定的存储，对于每天成千上万的比特币交易记录来说，这一点点的节省能起到很大效果。

因为椭圆曲线实际上是一个方程(y2 mod p = (x3 + 7)mod P, y2是y的平方，x3是x的立方)，而公钥是椭圆曲线上的一个点，那么公钥即为方程的一个解，如果公钥中只保留x，那么可以通过解方程得到y，而压缩公钥格式有两个前缀是因为对y2开方，会得到正负两个解，在素数p阶的有限域上使用二进制算术计算椭圆曲线的时候，y坐标或奇或偶，所以用02表示y为奇数，03表示y为偶数。

所以压缩格式的公钥可以表示为：前缀x
以上述公钥的坐标为准，y为奇数为例，公钥K为：

不知道大家发现没有，这种压缩方式存在一个问题，即一个私钥可以得出两个公钥，压缩和非压缩公钥，而这两个公钥都对应同一个私钥，都合法，但生成的比特币地址却不相同，这就涉及到钱包软件的实现方式，是使用压缩公钥还是非压缩公钥，或者二者皆用，这个问题后面来介绍。

比特币钱包最主要的功能就是替用户保管比特币私钥，比特币钱包有很多种，比如非确定性(随机)钱包，确定性(种子)钱包。所谓的非确定性是指钱包运行时会生成足够的私钥(比如100个私钥)，每个私钥仅会使用一次，这样私钥管理就很麻烦。确定性钱包拥有一个公共种子，单向离散方程使用种子生成私钥，种子足够回收所有私钥，所以在钱包创建时，简单备份下，就可以在钱包之间转移输入。

这里要特别介绍下助记码词汇。助记码词汇是英文单词序列，在BIP0039中提出。这些序列对应着钱包中的种子，种子可以生成随机数，随机数生成私钥，私钥生成公钥，便有了你需要的一切。所以单词的顺序就是钱包的备份，通过助记码词汇能重建钱包，这比记下一串随机数要强的多。

BIP0039定义助记码和种子的创建过程如下:

另外一种重要的钱包叫做HD钱包。HD钱包提供了随机(不确定性) 钥匙有两个主要的优势。
第一，树状结构可以被用来表达额外的组织含义。比如当一个特定分支的子密钥被用来接收交易收入并且有另一个分支的子密钥用来负责支付花费。不同分支的密钥都可以被用在企业环境中，这就可以支配不同的分支部门，子公司，具体功能以及会计类别。
第二，它可以允许让使用者去建立一个公共密钥的序列而不需要访问相对应的私钥。这可允许HD钱包在不安全的服务器中使用或者在每笔交易中发行不同的公共钥匙。公共钥匙不需要被预先加载或者提前衍生，但是在服务器中不具有可用来支付的私钥。

BIP0038提出了一个通用标准，使用一个口令加密私钥并使用Base58Check对加密的私钥进行编码，这样加密的私钥就可以安全地保存在备份介质里，安全地在钱包间传输，保持密钥在任何可能被暴露情况下的安全性。这个加密标准使用了AES,这个标准由NIST建立，并广泛应用于商业和军事应用的数据加密。

BIP0038加密方案是: 输入一个比特币私钥，通常使用WIF编码过，base58chek字符串的前缀“5”。此外BIP0038加密方案需要一个长密码作为口令，通常由多个单词或一段复杂的数字字母字符串组成。BIP0038加密方案的结果是一个由base58check编码过的加密私钥，前缀为6P。如果你看到一个6P开头的的密钥，这就意味着该密钥是被加密过，并需个口令来转换(解码) 该密钥回到可被用在任何钱包WIF格式的私钥(前缀为5)。许多钱包APP现在能够识别BIP0038加密过的私钥，会要求用户提供口令解码并导入密钥。

最通常使用BIP0038加密的密钥用例是纸钱包一一张纸张上备份私钥。只要用户选择了强口令，使用BIP0038加密的私钥的纸钱包就无比的安全，这也是一种很棒的比特币离线存储方式(也被称作“冷存储”)。

P2SH函数最常见的实现时用于多重签名地址脚本。顾名思义，底层脚本需要多个签名来证明所有权，然后才能消费资金。这类似在银行开设一个联合账户。

你可以通过计算，生成特殊的比特币地址，例如我需要一个Hello开头的地址，你可以通过脚本来生成这样一个地址。但是每增加一个字符，计算量会增加58倍，超过7个字符，需要专门的硬件或者矿机来生成，如果是8~10个字符，那么计算量将无法想象。

B. 比特币基础知识 你绝对想不到

椭圆曲线数字签名算法
椭圆曲线数字签名算法(ECDSA)是使用椭圆曲线对数字签名算法(DSA)的模拟，该算法是构成比特币系统的基石。
私钥
非公开，拥有者需安全保管。通常是由随机算法生成的，说白了，就是一个巨大的随机整数，32字节，256位。
大小介于1 ~ 0xFFFF FFFF FFFF FFFF FFFF FFFF FFFF FFFE BAAE DCE6 AF48 A03B BFD2 5E8C D036 4141之间的数，都可以认为是一个合法的私钥。
于是，除了随机方法外，采用特定算法由固定的输入，得到32字节输出的算法就可以成为得到私钥的方法。于是，便有了迷你私钥(Mini Privkey)，原理很简单，例如，采用SHA256的一种实现：
private key = SHA256()1
迷你私钥存在安全问题，因为输入集合太小，易被构造常见组合的彩虹表暴力破解，所以通常仿轮纳还是使用系统随机生成的比较好，无安全隐患。
公钥
公钥与私钥是相对应的，一把私钥可以推出唯一的公钥，但公钥却无法推导出私钥。公钥有两种形式：压缩与非压缩。
早期比特币均使用非压缩公钥，现大部分客户端已默认使用压缩公钥。
这个貌似是比特币系统一个长得像feature的bug，早期人少活多代码写得不够精细，openssl库的文档又不足够好，导致Satoshi以为必须使用非压缩的完整公钥，后来大家发现其实公钥的左右两个32字节是有关联的，左侧(X)可以推出右侧(Y)的平方值，有左侧(X)就可以了。
现在系统里两种方式共存，应该会一直共存下去。两种公钥的首个字节为标识位，压缩为33字节，非压缩为65字节。以0x04开头为非压缩，0x02/0x03开头为压缩公钥，0x02/0x03的选取由右侧Y开方后的奇偶决定。
压缩形式可以减小Tx/Block的体积，每个Tx Input减少32字节。
签名
使用私钥对数据进行签署(Sign)会得到签名(Signature)。通常会将数据先生成Hash值，然后对此Hash值进行签名。签名(signature)有两部分组成: R + S。由签名(signature)与Hash值，便可以推出一个公钥，验证此公钥，便可知道此签名是否由公钥对应的私钥签名。
通常，每个签名会有三个长度：73、72、71，符合校验的概率为25%、50%、25%。所以每次签署后，需要找出符合校验的签名长度，再提供给验证方。
地址
地址是为了人们交换方便而弄出来的一个方案，因为公钥太长了(130字符串或66字符串)。地址长度为25字节，转为base58编码后，为34或35个字符。base58是类似base64的编码，但去掉了易引起视觉混淆的字符，又在地址末尾添加了4个字节校验位，保障在人们交换个别字符错误时，也能够因地址校验失败而制止了误操作。
由于存在公钥有两种形式，那么一个公钥便对应两个地址。这两个地址都可由同一私钥签署交易。
公钥生成地址的算法：
Version = 1 byte of 0 (zero); on the test network, this is 1 byte of 111
Key hash = Version concatenated with RIPEMD-160(SHA-256(public key))
Checksum = 1st 4 bytes of SHA-256(SHA-256(Key hash))
Bitcoin Address = Base58Encode(Key hash concatenated with Checksum)1234
下图是非压缩公钥生成地址的过程：
对于压缩公钥生成地址时，则只取公钥的X部分即可。
推导关系
三者推导关系：私钥
公钥
两个地址。过程均不可逆。拥有私钥便拥有一切，但通常为了方便，会把对应的公钥、地址也存储起来。
交易
比特币的交易(Transation，缩写Tx)，并不是通常意义的桐散交易，例如一手交钱一手交货，而是转账。交易由N个输入和M个输出两部分组成。交易的每个输入便是前向交易的某个输出，那么追踪到源头，必然出现一个没有输入的交易，此类交易称为CoinBase Tx。CoinBase类备没交易是奖励挖矿者而产生的交易，该交易总是位于Block块的第一笔。
拥有一个输入与输出的Tx数据：
Input:
Previous tx:
Index: 0
scriptSig:
241501
Output:
Value: 5000000000
scriptPubKey: OP_DUP OP_HASH160
OP_EQUALVERIFY OP_CHECKSIG12345678910
一旦某个Tx的第N个输出成为另一个Tx的输入，那么该笔比特币即为已花费。每个交易有唯一Hash字符串来标识，通过对交易数据做两次SHA256哈希运算而来：
Tx Hash ID = SHA256(SHA256(Tx Data))1
矿工费
矿工费(Transaction Fee)是鼓励矿工将Tx打包进Block的激励报酬。计算一笔交易的矿工费：
Transaction Fee = SUM(Inputs amount) - SUM(Outputs amount)1
每笔Tx的矿工费必然大于等于零，否则该笔Tx即为非法，不会被网络接收。
数据块
数据块(Block)是存储Block Meta与Tx的地方。Block的第一笔Tx总是CoinBase Tx，因此Block中的交易数量总是大于等于1，随后是这段时间内网络广播出来的Tx。
找到合适的Block是一件非常困难的事情，需要通过大量的数学计算才能发现，该计算过程称为“挖矿”。首个发现者，会得到一些比特币作为奖励。
数据链
多个Block连接起来成为数据链(Block Chain)。
为了引入容错与竞争机制，比特币系统允许Block Chain出现分叉，但每个节点总是倾向于选择最高的、难度最大的链，并称之为Best Chain，节点只认可Best Chain上的数据。
首个Block称为Genesis Block，并设定高度为零，后续每新增一个Block，高度则递增一。目前是不允许花费Genesis Block中的比特币的。
每个Block中的Tx在此Block中均唯一
一个Tx通常只会在一个Block里，也可能会出现在多个Block中，但只会在Best Chain中的某一个Block出现一次
货币存储
比特币是密码货币、纯数字化货币，没有看得见摸得着的硬币或纸币。一个人持有比特币意味着：
其拥有一些地址的私钥
这些地址是数笔交易的输出，且未花费
所有货币记录均以交易形式存储在整个blockchain数据块中，无交易无货币。货币不会凭空产生，也不会凭空消失。遗失了某个地址的私钥，意味着该地址上的Tx无法签署，无法成为下一个Tx的输入，便认为该笔比特币永久消失了。
货币发行
既然所有交易的输入源头都是来自CoinBase，产生CoinBase时即意味着货币发行。比特币采用衰减发行，每四年产量减半，第一个四年每个block的coinbase奖励50BTC，随后是25btc, 12.5btc, 并最终于2140年为零，此时总量达到极限为2100万个btc。
减半周期，严格来说，并不是准确的四年，而是每生成210000个block。之所以俗称四年减半，是因为比特币系统会根据全网算力的大小自动调整难度系统，使得大约每两周产生2016个block，那么四年约21万块block。
该函数GetBlockValue()用于计算挖得Block的奖励值：
int64 static GetBlockValue(int nHeight, int64 nFees)
{
int64 nSubsidy = 50 * COIN;
// Subsidy is cut in half every 210000 blocks, which will occur approximately every 4 years
nSubsidy = (nHeight / 210000);
return nSubsidy + nFees;
}123456789
当达到2100万btc以后，不再有来自CoinBase的奖励了，矿工的收入来源仅剩下交易的矿工费。此时，每个block的收入绝对值btc很低，但此时比特币应当会非常繁荣，币值也会相当的高，使得矿工们依然有利可图。
杜绝多重支付
传统货币存在多重支付(Double Spending)问题，典型的比如非数字时代的支票诈骗、数字时代的信用卡诈骗等。在比特币系统里，每笔交易的确认均需要得到全网广播，并收录进Block后才能得到真正确认。每笔钱的花销，均需要检测上次输入交易的状态。数据是带时间戳的、公开的，BlockChain由巨大的算力保障其安全性。所以比特币系统将货币的多重支付的风险极大降低，几近于零。通过等待多个Block确认，更是从概率上降低至零。一般得到6个确认后，可认为非常安全。但对于能影响你人生的重大支付，建议等待20~30个确认。
匿名性
任何人均可以轻易生成大量的私钥、公钥、地址。地址本身是匿名的，通过多个地址交易可进一步提高匿名性。但该匿名性并不像媒体宣传的那样，是某种程度上的匿名。因为比特币的交易数据是公开的，所以任何一笔资金的流向均是可以追踪的。
不了解比特币的人为它的匿名性产生一些担忧，比如担心更利于从事非法业务;了解比特币的人却因为它的伪匿名性而苦恼。传统货币在消费中也是匿名的，且是法律保障的，大部分国家都不允许个人涂画纸币。
地址本身是匿名的，但你可以通过地址对应的私钥签名消息来向公众证明你拥有某个比特币地址。
其他名词
哈希
哈希(Hash)是一种函数，将一个数映射到另一个集合当中。不同的哈希函数映射的空间不同，反映到计算机上就是生成的值长度不一样。同一个哈希函数，相同的输入必然是相同的输出，但同一个输出却可能有不同的输入，这种情况称为哈希碰撞。
常见的哈希函数有CRC32, MD5, SHA1, SHA-256, SHA-512, RIPEMD-160等，哈希函数在计算中有着非常广泛的用途。比特币里主要采用的是SHA-256和RIPEMD-160。
脑钱包纸钱包
前面提到过的脑钱包与纸钱包，这其实不算是钱包的分类，只是生成、存储密钥的方式而已。脑钱包属于迷你私钥的产物。脑钱包就是记在脑袋里的密钥，纸钱包就是打印到纸上的密钥，仅此而已。
有同学提到过，以一个计算机文件作为输入，例如一个数MB大小的照片，通过某种Hash运算后得到私钥的方法。这个方案的安全性还是不错的，同时可以防止盗私钥木马根据特征扫描私钥。文本形式存储私钥是有特征的，而一个照片文件却难以察觉，即使放在云盘等第三方存储空间中都是安全的。

C. 什么是比特币的数字签名

比特币中的数字签名，是交易中的发起方产生的，为了保证这笔交易确实是由此人发起，并且数据在传输时没有被篡改。数字签名简单点来说，就是完整的交易信息，通过数字摘要技术压缩成固定格式的字符串，然后通过非对称加密技术，生成一个私钥。将完整的交易信息和数字签名传送给矿工，矿工用交易发起方的公钥对数字签名进行解密，解密成功，就将此交易数据写到区块中。

D. 详解比特币挖矿原理

可以将区块链看作一本记录所有交易的公开总帐簿（列表），比特币网络中的每个参与者都把它看作一本所有权的权威记录。

比特币没有中心机构，几乎所有的完整节点都有一份公共总帐的备份，这份总帐可以被视为认证过的记录。

至今为止，在主干区块链上，没有发生一起成功的攻击，一次都没有。

通过创造出新区块，比特币以一个确定的但不断减慢的速率被铸造出来。大约每十分钟产生一个新区块，每一个新区块都伴随着一定数量从无到有的全新比特币。每开采210,000个块，大约耗时4年，货币发行速率降低50%。

在2016年的某个时刻，在第420,000个区块被“挖掘”出来之后降低到12.5比特币/区块。在第13,230,000个区块（大概在2137年被挖出）之前，新币的发行速度会以指数形式进行64次“二等分”。到那时每区块发行比特币数量变为比特币的最小货币单位——1聪。最终，在经过1,344万个区块之后，所有的共20,999,999.9769亿聪比特币将全部发行完毕。换句话说， 到2140年左右，会存在接近2,100万比特币。在那之后，新的区块不再包含比特币奖励，矿工的收益全部来自交易费。

在收到交易后，每一个节点都会在全网广播前对这些交易进行校验，并以接收时的相应顺序，为有效的新交易建立一个池（交易池）。

每一个节点在校验每一笔交易时，都需要对照一个长长的标准列表：

交易的语法和数据结构必须正确。

输入与输出列表都不能为空。

交易的字节大小是小于MAX_BLOCK_SIZE的。

每一个输出值，以及总量，必须在规定值的范围内 （小于2,100万个币，大于0）。

没有哈希等于0，N等于-1的输入（coinbase交易不应当被中继）。

nLockTime是小于或等于INT_MAX的。

交易的字节大小是大于或等于100的。

交易中的签名数量应小于签名操作数量上限。

解锁脚本（Sig）只能够将数字压入栈中，并且锁定脚本（Pubkey）必须要符合isStandard的格式 （该格式将会拒绝非标准交易）。

池中或位于主分支区块中的一个匹配交易必须是存在的。

对于每一个输入，如果引用的输出存在于池中任何的交易，该交易将被拒绝。

对于每一个输入，在主分支和交易池中寻找引用的输出交易。如果输出交易缺少任何一个输入，该交易将成为一个孤立的交易。如果与其匹配的交易还没有出现在池中，那么将被加入到孤立交易池中。

对于每一个输入，如果引用的输出交易是一个coinbase输出，该输入必须至少获得COINBASE_MATURITY (100)个确认。

对于每一个输入，引用的输出是必须存在的，并且没有被花费。

使用引用的输出交易获得输入值，并检查每一个输入值和总值是否在规定值的范围内 （小于2100万个币，大于0）。

如果输入值的总和小于输出值的总和，交易将被中止。

如果交易费用太低以至于无法进入一个空的区块，交易将被拒绝。

每一个输入的解锁脚本必须依据相应输出的锁定脚本来验证。

以下挖矿节点取名为 A挖矿节点

挖矿节点时刻监听着传播到比特币网络的新区块。而这些新加入的区块对挖矿节点有着特殊的意义。矿工间的竞争以新区块的传播而结束，如同宣布谁是最后的赢家。对于矿工们来说，获得一个新区块意味着某个参与者赢了，而他们则输了这场竞争。然而，一轮竞争的结束也代表着下一轮竞争的开始。

验证交易后，比特币节点会将这些交易添加到自己的内存池中。内存池也称作交易池，用来暂存尚未被加入到区块的交易记录。

A节点需要为内存池中的每笔交易分配一个优先级，并选择较高优先级的交易记录来构建候选区块。

一个交易想要成为“较高优先级”，需满足的条件：优先值大于57,600,000，这个值的生成依赖于3个参数：一个比特币（即1亿聪），年龄为一天（144个区块），交易的大小为250个字节：

High Priority > 100,000,000 satoshis * 144 blocks / 250 bytes = 57,600,000

区块中用来存储交易的前50K字节是保留给较高优先级交易的。 节点在填充这50K字节的时候，会优先考虑这些最高优先级的交易，不管它们是否包含了矿工费。这种机制使得高优先级交易即便是零矿工费，也可以优先被处理。

然后，A挖矿节点会选出那些包含最小矿工费的交易，并按照“每千字节矿工费”进行排序，优先选择矿工费高的交易来填充剩下的区块。

如区块中仍有剩余空间，A挖矿节点可以选择那些不含矿工费的交易。有些矿工会竭尽全力将那些不含矿工费的交易整合到区块中，而其他矿工也许会选择忽略这些交易。

在区块被填满后，内存池中的剩余交易会成为下一个区块的候选交易。因为这些交易还留在内存池中，所以随着新的区块被加到链上，这些交易输入时所引用UTXO的深度（即交易“块龄”）也会随着变大。由于交易的优先值取决于它交易输入的“块龄”，所以这个交易的优先值也就随之增长了。最后，一个零矿工费交易的优先值就有可能会满足高优先级的门槛，被免费地打包进区块。

UTXO（Unspent Transaction Output） : 每笔交易都有若干交易输入，也就是资金来源，也都有若干笔交易输出，也就是资金去向。一般来说，每一笔交易都要花费（spend）一笔输入，产生一笔输出，而其所产生的输出，就是“未花费过的交易输出”，也就是 UTXO。

块龄：UTXO的“块龄”是自该UTXO被记录到区块链为止所经历过的区块数，即这个UTXO在区块链中的深度。

区块中的第一笔交易是笔特殊交易，称为创币交易或者coinbase交易。这个交易是由挖矿节点构造并用来奖励矿工们所做的贡献的。假设此时一个区块的奖励是25比特币，A挖矿的节点会创建“向A的地址支付25.1个比特币(包含矿工费0.1个比特币)”这样一个交易，把生成交易的奖励发送到自己的钱包。A挖出区块获得的奖励金额是coinbase奖励（25个全新的比特币）和区块中全部交易矿工费的总和。

A节点已经构建了一个候选区块，那么就轮到A的矿机对这个新区块进行“挖掘”，求解工作量证明算法以使这个区块有效。比特币挖矿过程使用的是SHA256哈希函数。

用最简单的术语来说， 挖矿节点不断重复进行尝试，直到它找到的随机调整数使得产生的哈希值低于某个特定的目标。 哈希函数的结果无法提前得知，也没有能得到一个特定哈希值的模式。举个例子，你一个人在屋里打台球，白球从A点到达B点，但是一个人推门进来看到白球在B点，却无论如何是不知道如何从A到B的。哈希函数的这个特性意味着：得到哈希值的唯一方法是不断的尝试，每次随机修改输入，直到出现适当的哈希值。

需要以下参数

• block的版本 version

• 上一个block的hash值: prev_hash

• 需要写入的交易记录的hash树的值: merkle_root

• 更新时间: ntime

• 当前难度: nbits

挖矿的过程就是找到x使得

SHA256(SHA256(version + prev_hash + merkle_root + ntime + nbits + x )) < TARGET

上式的x的范围是0~2^32, TARGET可以根据当前难度求出的。

简单打个比方，想象人们不断扔一对色子以得到小于一个特定点数的游戏。第一局，目标是12。只要你不扔出两个6，你就会赢。然后下一局目标为11。玩家只能扔10或更小的点数才能赢，不过也很简单。假如几局之后目标降低为了5。现在有一半机率以上扔出来的色子加起来点数会超过5，因此无效。随着目标越来越小，要想赢的话，扔色子的次数会指数级的上升。最终当目标为2时（最小可能点数），只有一个人平均扔36次或2%扔的次数中，他才能赢。

如前所述，目标决定了难度，进而影响求解工作量证明算法所需要的时间。那么问题来了：为什么这个难度值是可调整的？由谁来调整？如何调整？

比特币的区块平均每10分钟生成一个。这就是比特币的心跳，是货币发行速率和交易达成速度的基础。不仅是在短期内，而是在几十年内它都必须要保持恒定。在此期间，计算机性能将飞速提升。此外，参与挖矿的人和计算机也会不断变化。为了能让新区块的保持10分钟一个的产生速率，挖矿的难度必须根据这些变化进行调整。事实上，难度是一个动态的参数，会定期调整以达到每10分钟一个新区块的目标。简单地说，难度被设定在，无论挖矿能力如何，新区块产生速率都保持在10分钟一个。

那么，在一个完全去中心化的网络中，这样的调整是如何做到的呢？难度的调整是在每个完整节点中独立自动发生的。每2,016个区块(2周产生的区块)中的所有节点都会调整难度。难度的调整公式是由最新2,016个区块的花费时长与20,160分钟（两周，即这些区块以10分钟一个速率所期望花费的时长）比较得出的。难度是根据实际时长与期望时长的比值进行相应调整的（或变难或变易）。简单来说，如果网络发现区块产生速率比10分钟要快时会增加难度。如果发现比10分钟慢时则降低难度。

为了防止难度的变化过快，每个周期的调整幅度必须小于一个因子（值为4）。如果要调整的幅度大于4倍，则按4倍调整。由于在下一个2,016区块的周期不平衡的情况会继续存在，所以进一步的难度调整会在下一周期进行。因此平衡哈希计算能力和难度的巨大差异有可能需要花费几个2,016区块周期才会完成。

举个例子，当前A节点在挖277,316个区块，A挖矿节点一旦完成计算，立刻将这个区块发给它的所有相邻节点。这些节点在接收并验证这个新区块后，也会继续传播此区块。当这个新区块在网络中扩散时，每个节点都会将它作为第277,316个区块(父区块为277,315)加到自身节点的区块链副本中。当挖矿节点收到并验证了这个新区块后，它们会放弃之前对构建这个相同高度区块的计算，并立即开始计算区块链中下一个区块的工作。

比特币共识机制的第三步是通过网络中的每个节点独立校验每个新区块。当新区块在网络中传播时，每一个节点在将它转发到其节点之前，会进行一系列的测试去验证它。这确保了只有有效的区块会在网络中传播。

每一个节点对每一个新区块的独立校验，确保了矿工无法欺诈。在前面的章节中，我们看到了矿工们如何去记录一笔交易，以获得在此区块中创造的新比特币和交易费。为什么矿工不为他们自己记录一笔交易去获得数以千计的比特币？这是因为每一个节点根据相同的规则对区块进行校验。一个无效的coinbase交易将使整个区块无效，这将导致该区块被拒绝，因此，该交易就不会成为总账的一部分。

比特币去中心化的共识机制的最后一步是将区块集合至有最大工作量证明的链中。一旦一个节点验证了一个新的区块，它将尝试将新的区块连接到到现存的区块链，将它们组装起来。

节点维护三种区块：

· 第一种是连接到主链上的，

· 第二种是从主链上产生分支的（备用链），

· 第三种是在已知链中没有找到已知父区块的。

有时候，新区块所延长的区块链并不是主链，这一点我们将在下面“ 区块链分叉”中看到。

如果节点收到了一个有效的区块，而在现有的区块链中却未找到它的父区块，那么这个区块被认为是“孤块”。孤块会被保存在孤块池中，直到它们的父区块被节点收到。一旦收到了父区块并且将其连接到现有区块链上，节点就会将孤块从孤块池中取出，并且连接到它的父区块，让它作为区块链的一部分。当两个区块在很短的时间间隔内被挖出来，节点有可能会以相反的顺序接收到它们，这个时候孤块现象就会出现。

选择了最大难度的区块链后，所有的节点最终在全网范围内达成共识。随着更多的工作量证明被添加到链中，链的暂时性差异最终会得到解决。挖矿节点通过“投票”来选择它们想要延长的区块链，当它们挖出一个新块并且延长了一个链，新块本身就代表它们的投票。

因为区块链是去中心化的数据结构，所以不同副本之间不能总是保持一致。区块有可能在不同时间到达不同节点，导致节点有不同的区块链视角。解决的办法是， 每一个节点总是选择并尝试延长代表累计了最大工作量证明的区块链，也就是最长的或最大累计难度的链。

当有两个候选区块同时想要延长最长区块链时，分叉事件就会发生。正常情况下，分叉发生在两名矿工在较短的时间内，各自都算得了工作量证明解的时候。两个矿工在各自的候选区块一发现解，便立即传播自己的“获胜”区块到网络中，先是传播给邻近的节点而后传播到整个网络。每个收到有效区块的节点都会将其并入并延长区块链。如果该节点在随后又收到了另一个候选区块，而这个区块又拥有同样父区块，那么节点会将这个区块连接到候选链上。其结果是，一些节点收到了一个候选区块，而另一些节点收到了另一个候选区块，这时两个不同版本的区块链就出现了。

分叉之前

分叉开始

我们看到两个矿工几乎同时挖到了两个不同的区块。为了便于跟踪这个分叉事件，我们设定有一个被标记为红色的、来自加拿大的区块，还有一个被标记为绿色的、来自澳大利亚的区块。

假设有这样一种情况，一个在加拿大的矿工发现了“红色”区块的工作量证明解，在“蓝色”的父区块上延长了块链。几乎同一时刻，一个澳大利亚的矿工找到了“绿色”区块的解，也延长了“蓝色”区块。那么现在我们就有了两个区块：一个是源于加拿大的“红色”区块；另一个是源于澳大利亚的“绿色”。这两个区块都是有效的，均包含有效的工作量证明解并延长同一个父区块。这个两个区块可能包含了几乎相同的交易，只是在交易的排序上有些许不同。

比特币网络中邻近（网络拓扑上的邻近，而非地理上的）加拿大的节点会首先收到“红色”区块，并建立一个最大累计难度的区块，“红色”区块为这个链的最后一个区块（蓝色-红色），同时忽略晚一些到达的“绿色”区块。相比之下，离澳大利亚更近的节点会判定“绿色”区块胜出，并以它为最后一个区块来延长区块链（蓝色-绿色），忽略晚几秒到达的“红色”区块。那些首先收到“红色”区块的节点，会即刻以这个区块为父区块来产生新的候选区块，并尝试寻找这个候选区块的工作量证明解。同样地，接受“绿色”区块的节点会以这个区块为链的顶点开始生成新块，延长这个链。

分叉问题几乎总是在一个区块内就被解决了。网络中的一部分算力专注于“红色”区块为父区块，在其之上建立新的区块；另一部分算力则专注在“绿色”区块上。即便算力在这两个阵营中平均分配，也总有一个阵营抢在另一个阵营前发现工作量证明解并将其传播出去。在这个例子中我们可以打个比方，假如工作在“绿色”区块上的矿工找到了一个“粉色”区块延长了区块链(蓝色-绿色-粉色)，他们会立刻传播这个新区块，整个网络会都会认为这个区块是有效的，如上图所示。

所有在上一轮选择“绿色”区块为胜出者的节点会直接将这条链延长一个区块。然而，那些选择“红色”区块为胜出者的节点现在会看到两个链： “蓝色-绿色-粉色”和“蓝色-红色”。 如上图所示，这些节点会根据结果将 “蓝色-绿色-粉色” 这条链设置为主链，将 “蓝色-红色” 这条链设置为备用链。 这些节点接纳了新的更长的链，被迫改变了原有对区块链的观点，这就叫做链的重新共识 。因为“红”区块做为父区块已经不在最长链上，导致了他们的候选区块已经成为了“孤块”，所以现在任何原本想要在“蓝色-红色”链上延长区块链的矿工都会停下来。全网将 “蓝色-绿色-粉色” 这条链识别为主链，“粉色”区块为这条链的最后一个区块。全部矿工立刻将他们产生的候选区块的父区块切换为“粉色”，来延长“蓝色-绿色-粉色”这条链。

从理论上来说，两个区块的分叉是有可能的，这种情况发生在因先前分叉而相互对立起来的矿工，又几乎同时发现了两个不同区块的解。然而，这种情况发生的几率是很低的。单区块分叉每周都会发生，而双块分叉则非常罕见。

比特币将区块间隔设计为10分钟，是在更快速的交易确认和更低的分叉概率间作出的妥协。更短的区块产生间隔会让交易清算更快地完成，也会导致更加频繁地区块链分叉。与之相对地，更长的间隔会减少分叉数量，却会导致更长的清算时间。

E. 比特币如何防止伪造交易记录

（本文在观看李永乐老师视频讲解基础上整理）

防止伪造记录是比特币的一个重要特点，电子签名技术就是防伪的关键。

当一个比特币用户注册的时候会产生一个随机数，随之会产生一个私钥，紧接着生成公钥和地址。

接下来以“A转给B十个比特币”作为案例，看一下比特币的交易是如何防伪的。

Step1:A编写交易记录并对信息加密

Step2:A将“交易信息、公钥、地址”进行全网广播

Step3:全网对A广播出来的信息进行验证

验证的过程就是全网对广播出来的交易信息进行哈希运算，并得出一个摘要。然后用广播出来的公钥和密码进行解密，也得出一个摘要。

对这两个摘要进行对比，如果相同，信息为真，如果不同，信息为假。

以上就是比特币对信息验证的过程。

结语

1、  比特币防伪采取了电子签名技术；

2、  私钥加密，公钥解密；

3、  对广播出来的信息，全网会进行信息验证，验证通过代表信息真实，否则信息伪造。

参考文献

[1]微博 @李永乐老师

F. 比特股的交易

比特股X认识到，当所有的交易数据都在使用同样的脚本时，那么保持脚本语言的灵活性是不必要的。

在比特币的案例中，脚本语言的使用是受限的，因此我们无法使用比特币的交易脚本来创建比特股X的交易宣告数据。

因此，定义了一套包含七种宣告条件的交易类型:

以签名宣告

在交易数据输出时，允许持有人签名进行宣告。

这就跟标准的比特币交易输出脚本一样。

以M分之N的签名宣告

在交易数据输出时，允许M位持有者当中的N位签名进行宣告。

这就像是比特币的多重签名交易输出。

以买单宣告

在特定的资产已经以指定的价位支付给买家之下，允许输出执行支付。

一笔买单可以被部份达成，只要同时产生一个包含了变更的买单即可。

买单只能够在新的区块依照市场撮和算法产生时，以其他的买单宣告、做多宣告、平仓宣告的交易输出等明确的方式来进行撮和。

一项买单宣告的交易输出也可以经由买家的签名进行支付，此情形下买家可以取消挂单。

以做多宣告

当有人在某个价位做空 (以平仓宣告)时，允许此类交易输出宣告。

空头头寸必须和另一个铸造了等量的新BitUSD以签名宣告的交易输出相契合。

这种交易输出也可以经由其持有者签名进行支付，此情形下该持有者可以取消挂单。

以平仓宣告

允许从为空仓背书的抵押金中收取费用，该费用应与同一笔交易当中所销毁的BitUSD成相应比例。

BitUSD的销毁方式是将其包含在交易输入数据中，但是不包含在交易输出数据中达成的。

这笔交易输出只能够经由持有者补平，除非该输出是被用于包含在挂单撮和算法中作为追加保证金的一部分。

以期权执行宣告

在设定的日期之前，将期权买方将指定金额付给期权卖方的情况下，允许交易输出进行支付。

在设定的日期之后，交易输出只能由期权卖方来宣告。

以密码宣告

用于跨链交易，在以下两种情况下允许交易输出执行支付: 提供两组签名或是一组签名和一组密码。

交易费用被设定为需支付的每字节数据对应BTSX的价格。

简誉伍单地说，交易费用即是市场执行订单撮和算法所收取的费用。

确切的交易费用根据每一笔挂单金额而有所变动。

关于具体的交易费用，我们计划在比特股X已经运营一段时间并获得一些历史数据后再做公布。

要寻求更详细的解释请参见后面的“订单撮和算法”部分。

制定受托人销毁比率以实现盈利

比特股X将比特股X视为一个分布式自治公司（DAC）并寻求盈利。

因此它应当为持股人赚取利润。

盈利的实现，除了依靠股份市值的增长之外，还可以借由制定销毁比率来销毁交易费用实现。

在经济学角度上看，减少BTSX的供应量就如同将交易费用成比例以分红的形式发给所有BTSX持股人。

虽比特股X会把用户的BTSX的余额占总流通量的多寡按百分比进行显示，因此会看到余额会随着产块的过程逐渐增加。

当用户花费BTSX时，用户界面在交易发生之前将显示的占百分比换算回真实的股份数量，然后再发送到区块链上。

比特股X使用了非传统的挂单撮和算法。

传统的挂单撮和算法选择提供给买家所要求的最少数量，有时会多一些，而比特股X的撮合算法将总是提供给买家所要求恰好的数量。

如果出现最高买入价大于最低卖出价的情况时 – 其差额将会被系统收取为手续费。

在比特股X当中买家和卖家没有本质的区别，因为一个用美元购入BTSX的人和用BTSX购入美元的人没有分别。

双方的交易都在各自指定的价位上成交，而非双方使用了共同的价格。

其差额会被系统留存作为手续费。

比特股挂单撮和算法

采用这种算法的原因是为了惩罚那些想要制造大量挂单操纵单边市场的人，因为在此算法之下手续费的数目将会随着挂单的数量成比例地增加。

这项设计是为了增强基于价值的投资而非纯技术流的交易。

我们预期这将会减低市场波动性以及流动性，因为扰乱式的交易被移除了。

市场的参与者们对自燃源己的挂单能够精准成交应该不会有抱怨，这样一来大家只会理性地以他们认为合理的方式下单。

在开市并创建第一个比特资产之前，应该先以共识价格建立最小的市场深度。

相关的规则正在庆段或评估中，目前的设计是这样的：

· 撮合所有的空单和多单 – 这将消除重叠挂单并建立一个初始的买/卖散布单。

· 核算参考价格 – 计算剩余的最高买入价以及最低的卖出价得出平均值。

· 验证+/-15%参考价格以内的市场深度 – 当买入以及卖出的量超过了最小临界值，称之为开放深度，交易将会被允许并正式开始。

藉由触发市场需求或是买下所有挂单的行为可能会造成操纵市场攻击并破坏市场的情况发生。

为此，当+/-15%参考价格以内的市场深度低于运行深度时，交易会中止。

如果价格在某交易回合中波动超过1%，那么交易会暂停5分钟。

这些保护措施避免了操纵市场造成的价格快速波动，并给交易者机会增加抵押品或是增加新挂单来稳定价格。

G. 比特币系统规定要几个个体确认后才算交易完成呢

6个区块确认。

解释：

A君给B君转1个比特币，除了要输入交易金额1个比特币外，还需要设置一定量的矿工费，在输入秘钥并点击发送之后，需等待交易打包和6个区块确认，才能完成这笔转账，而这个过程大概需要花费30分钟~1小时。

比特币网络上有很多节点，假设B和C节点在短时间差内都计算出工作量证明解，然后把自己挖到的区块传播到网络中，先传播给邻近节点，而后传播到整个网络。

B和C矿工的区块数据是不一样的，但都是正确的，因此在这一刻出现了两个都满足要求的不同区块，B和C附近进的D、E、F等等矿工在监听到这个两个区块时，是有先后顺序区别的。怎么办，先入为主，节点把先监听的区块复制过来，然后开启新区块的挖矿工作。

那这个时候不同节点，同时有不同版本的区块链，而这两个版本的区块链，都被矿工们继续开采。但是两个版本的区块链其增长速是不一样的，总有一条链的长度要超过另一条链。当D、E、F等等矿工发现全网络中有一个条更长链的时候，他们会抛弃当前较短的链，转到更长链上进行挖矿。而那些被矿工成功挖掘的块，因为不是在最长链上而被抛弃了，他们叫过时块。这些过时块中的数据，又需要等待重新被写入区块中。

当一笔交易获得6个区块确认后，从而以确认该交易是在最长分支的区块链里，不可篡改，然后才能够花费小星转他的比特币。

(7)比特币交易验证解锁脚本签名扩展阅读

比特币交易确认过程

（1）钱包创建交易
钱包软件通过收集UTXO、 提供正确的解锁脚本、 构造支付给接收者的输出这一系列的方式来创建交易。 产生的交易随后将被发送到比特币网络临近的节点， 从而使得该交易能够在整个比特币网络中传播。

（2）交易独立效验
每一个收到交易的比特币节点将会首先验证该交易，有效的交易将被传递到临近的节点，这将确保只有有效的交易才会在网络中传播， 而无效的交易将会在第一个节点处就被废弃。
验证的交易添加到交易地：验证交易后， 比特币节点会将这些交易添加到自己的交易池， 用来暂存尚未被加入到区块的交易记录。

（3）节点确认交易
假设有个比特币网络节点A，其收集到了区块277，314。接下来A节点做两件事：1.尝试挖掘新区块；2.监听其他节点是否挖出新的区块。 如果A节点监听到了区块277315，则标志着277，315区块竞争结束。与此同时开启区块277，316的竞赛。

A节点在接收并验证区块277，315后，会检查内存池中的全部交易， 移除已经在区块277，315中出现过的交易记录，确保任何留在内存池中的交易都是未确认的，等待被记录到新区块中，而被移除的交易记录获得一次确认交易。把包含在区块内且被添加到区块链上的交易称为确认交易。

H. 『学概念找员外』门限密码与多重签名

密钥分存还是有一个问题：密钥分存之后，如果后面要用原密钥来签名，那就需要取得子密钥，还原成原密钥，然后才能签名。这个过程有可能被黑客乘虚而入，盗取密钥。

密码学可以解决这个问题。如果子密钥储存在不同的设备中，可以以去中心化的方式还原原密钥，而不是在某台设备上完成，这种技术叫门限签名（threshold signature）技术。典型的例子就是使用双重安全机制的电子钱包（N=2且K=2），如果两个子密钥分别保存在个人电脑和手机上，你可以在电脑上发起付款，这时，电脑会生成一个签名片段，并发送到你的手机上，然后，手机会提示你付款信息（包括收款人、金额等），然后等待你确认。如果你确认了付款信息，这时，手机会利用它的子密钥完成整个签名，然后广播到区块链上。万一黑客控制了你的电脑，试图把比特币转到他的账户，你根据手机上的付款信息就知道有问题了，从而不会确认这笔交易。门限密码涉及的数学细节比较复杂，员外也看不懂，所以就不展开讨论了。

门限签名是密码学中的一项技术，将一个密钥切分成不同片段，分别储存，在交易签名时无须还原原密钥。而多重签名是比特币脚本的特性，把一个比特币账户的控制权交给多个密钥，这些密钥共同保障账户安全。门限签名和多重签名都能克服密钥单点保存的缺陷。

还有另外一种方法可以克服密钥单点保存的缺陷，即多重签名（multisignatures），这个名词在第3章曾出现过。通过比特币脚本，可以直接把一个比特币账户的控制权交给多个密钥，而不是将密钥分存。这些密钥可以保存在不同的地点，并分别生成签名。当然，最终完成的交易的信息还是会保存在某台设备上，但即使黑客控制了这台设备，他所能做的也只不过阻止这个交易被广播到整个网络上去。没有其他设备参与，他无法生成出一个正当有效的多重签名。

举例来说，假设A、B、C、D、E是一家公司的创始人，这家公司有许多的比特币。我们可能会用多重签名来保护这些比特币。这5个人，每人都有一对密钥，我们可以用其中的3个签名来保护冷储存，一笔交易需要5个人中至少3个人的签名才能完成。

这样，只要我们5个人在不同地方且使用不同的安全措施保存各自的密钥，那么比特币就会相当安全。黑客必须盗取我们当中3个人的密钥，才能盗取比特币。即便我们其中一个或两个背弃了我们，他（们）也无法卷款而逃，因为他们还需要另一个签名。同时，如果我们其中一个遗失了密钥，其他人还是可以取出比特币，并转到新的账户，重新设置密码。总而言之，多重签名可以比较妥善地管理在冷储存端的大额比特币，任何重大事项都需要多人的参与才能实现。

上文中，我们说到，人们使用门限签名技术的原因是为了实现双重安全机制或多重安全机制，使用多重签名技术的原因是为了实现多人对共同财产实现共同控制。实际上，这两种技术都可以实现上述两种目的。

I. 【区块链】比特币私钥、公钥、签名

在 了解区块链的基础名词概念 提到地址由字符和数字组成，但没有说明怎样产生的。银行卡号由银行核心系统生成，那比特币地址是通过什么生成的呢？看下图：

对于刚接触比特币的小白来说，看到这张图就蒙圈了，究竟什么是私钥、公钥，为什么生成个地址要这么麻烦吗？

现在请大家记住这句话： 私钥通过椭圆曲线相乘生成公钥，使用公钥不能导推出私钥；公钥通过哈希函数生成比特币地址，地址也无法导推出公钥 。

通过这么复杂算法才算出地址，那私钥和公钥只是为了生成地址吗？不是的，他们还有其他用途，我们先了解下私钥和公钥。

现在已经讲解地址、挖矿、工作量证明、算力、区块、区块链等等的概念，不知大家还有印象吗？如果忘记请温习这些概念，因为后续很多地方都会用到这些概念。明天讲解下区块链有哪些特点。

参考书籍：《精通比特币》
区块链知识专题：

比特币记账方式（区块链知识2）
了解块链的基础名词概念（区块链知识1）

J. 3、数字签名（ECDSA）

比特币中使用的数字签名算法是椭圆曲线数字签名算法（Elliptic Curve Digital Signature Algorithm）或ECDSA。 ECDSA是用于基于椭圆曲线私钥/公钥对的数字签名的算法，如椭圆曲线章节[elliptic_curve]所述。 ECDSA用于脚本函数OP_CHECKSIG，OP_CHECKSIGVERIFY，OP_CHECKMULTISIG和OP_CHECKMULTISIGVERIFY。每当你锁定脚本中看到这些时，解锁脚本都必须包含一个ECDSA签名。

数字签名在比特币中有三种慎拿高用途：
● 第一，签名证明私钥的所有者，即资金所有者，已经授权支出这些资金。
● 第二，授权证明是不可否认的（不可否认性）。
● 第三，签名证明交易（或交易的具体部分）在签字之后没有也不能被任何人修改。

创建数字签名
在比特币的ECDSA算法的实现中，被签名的“消息”是交易，或更确切地说是交易中特定数据子集的哈希值（参见签名哈希类型（SIGHASH））。
签名密钥是用户的私钥，结果是签名：
((Sig = F{sig}(F{hash}(m), dA)))
这里的：
● dA 是签名私钥
● m 是交易（或其部分）
● F _hash 是散列函数
● F _sig 是签名算法
● Sig 是结果签名
ECDSA数学运算的更多细节可以在ECDSA Math章节中找到。
函数F _sig 产生由两个值组成的签名Sig，通常称宽尺为R和S：
Sig = (R, S)
签名序列化（DER）
解锁脚本序列化之后：
1301
包含敏嫌以下9个元素：
● 0x30表示DER序列的开始
● 0x45 - 序列的长度（69字节）
● 0x02 - 一个整数值
● 0x21 - 整数的长度（33字节）
● R-
● 0x02 - 接下来是一个整数
● 0x20 - 整数的长度（32字节）
● S-
● 后缀（0x01）指示使用的哈希的类型（SIGHASH_ALL）