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Bitcoin

  • 比特币结合 4 个创新
    • 去中心化的对等网络（比特币协议）
    • 公共交易总帐（区块链）
    • 独立交易确认和货币发行的一套规则（共识规则）
    • 实现有效的区块链全球去中心化共识的机制（工作量证明算法）
  • 比特币单位
    • bitcoin，BTC，1比特币
    • centi-bitcoin，cBTC，1分比特币，百分之一比特币（之前最常用）
    • milli-bitcoin，mBTC，1毫比特币，千分之一比特币（偶尔用）
    • micro-bitcoin，μBTC，1微比特币，1^(-6)比特币（最常用）
    • satoshi，sat，1聪比特币，一亿分之一比特币（最小单位）
  • 每4年发行新比特币的比例降低一半
  • 2140年将达到2100w

一些历史

  • 非对称加密
    • 1976: RSA
    • 1985： ECC 椭圆曲线函数加密
  • P2P
    • 1969: 首次提出
    • 1999: Shawn Fanning 创造全球第一个走红的P2P共享平台 Napster
  • PoW
    • 1997: Adam Back 发明 HashCash 哈希现金
      • 最初创造 HashCash 的目的是对抗 DoS
    • 2004: Hal Finney 创造出了第一个可重复使用的工作量证明系统 Reusable proof of work system
      • 比特币史上的第一笔交易就是发生在中本聪与哈尔芬尼之间，是第一位得到比特币的人。
  • Bitcoin
    • 2008, Satoshi Nakamoto,“Bitcoin：A Peer-to-Peer Electronic Cash System”
    • 2009, 比特币网络运行
      • 北京时间2009年1月4日02:15:05 Genesis block 创世区块
        • 《泰晤士报》当天头版文章标题
        The Times 03/Jan/2009 Chancellor on brink of second bailout for banks

设计思想

  • 为什么 block 设计为 1M？
    • 在比特币诞生之初，比特币的发明者中本聪并没有特意限制区块的大小，区块大小在其自身数据结构的控制下最大可以达到 32MB
    • 在比特币早期，有人恶意制造的大量小额转账使网络中有大量的待确认交易，导致正常的比特币转账不能被确认，确认时间被延迟，影响网络正常运转(DDoS)。于是中本聪将比特币的区块大小暂定为1M
    • 在比特币白皮书的第7章，中本聪就明确提出了在比特币容量不够用的时候应该怎样进行扩容。白皮书发布之后，他自己在社区留言的第一个问题，就指出了比特币未来的扩容隐患。
    • 比特币扩容之争
  • 比特币采用SHA-256、RIPEMD-160哈希算法生成密钥，使用SHA-256作nonce碰撞以挖矿。
  • 为什么总体供给是 2100w？
  • 为什么 10 分钟出一个区块？为什么 6 个区块之后就可以认为之前生成的区块被确认了？
  • 为什么交易需要6次确认，coinbase 却需要 100 次才能成熟？
  • 为什么用 base58？为什么不用我们熟知的 base64？
  • 为什么交易速度如此之慢，只有若干 tx / s？
  • 为什么 PoW？现有的方法为什么不可用？（呃，现有有什么方法？）
  • 为什么给矿工生成看似无意义的空区块的空间？
  • 为什么钱包的地址要 hash 一遍，而不是直接用 public key 的 base58?
  • 为什么需要 merkle tree？
  • 为什么用 ECDSA 而不是 RSA？
  • 为什么 double hash？
    • 长度不够可能多0导致碰撞
  • 为什么tx&block hashes用 little endian，而不是 big endian（network order）？
    • 比特币的区块链要靠HASH值来标识区块，这就要求所有系统（不管是什么架构），存储的数据必须每个字节（包括顺序）都完全一致，因此必须规定出一种统一的字节顺序才行。哪一种都可以，但必须选一个。现代计算机 几乎都是使用little endian ，所以内置的数据类型首选little endian。
      • Bitcoin transaction and block hashes are considered little-endian when treating them as integers.
    • Hashes are defined by the standards as being big-endian, and crypto libraries deal with them in that form, so hashes are transmitted in big-endian.
      • On the network they are just 32-byte sequences in the order they are generated by the hash function.
      • blocks show up in big-endian form, and itz the way we humans write numbers down.
      • block hashes in Bitcoin are treated as numbers for the purposes of difficulty calculations, meaning the hash must be below certain threshold in order to pass. It is natural for a human to expect such a number to be displayed on screen with leading zeroes.

图灵完备

图灵完备指的是可以描述一系列操作来描述所有可计算问题。

比特币不是图灵完备的，因为它没有条件判断语句，不能执行循环，也不会产生递归。

P2P

Verification

比特币节点如何验证一个区块 (适用于 BTC/BCH-ABC/BCH-SV)

当一个节点通过p2p网络获得一个新区块时，都会验证这个区块是不是有效 (CheckBlock 函数) :

  • 验证工作量证明，即验证区块头的哈希值小于当前目标值。
  • 验证 Merkle Root 是否是由区块体中的交易得到
    • 重构区块 Merkle 树得到的树根，看是否和区块头中的 hashMerkleRoot 值相等
  • 验证区块大小是否在设定范围之内
    • BTC 数据区块体不能大于 1M，隔离验证区块不能大于 3M
    • BCH-ABC 区块不能大于 32M
    • BCH-SV 现在是不能大于 128M
  • 验证是否只有一个 Coinbase 交易(一个区块，矿工只能给自己奖励一次)
  • 验证所有的交易，即遍历区块内所有的交易，检查是否是合法的交易。

Transaction

  • 比特币有哪几种交易类型？
    • Generation（挖矿）
      • While regular transactions use the 'inputs' section to refer to their parent transaction outputs, a generation transaction has no parent, and creates new coins from nothing.
    • Pay to Pubkey Hash
    • Pay to Script Hash

UXTO

  • 为什么设计 UTXO？

地址

  • 比特币地址的生成过程是？
    • 第一步，随机选取一个 32 字节的数、大小介于 1 ~ 0xFFFF FFFF FFFF FFFF FFFF FFFF FFFF FFFE BAAE DCE6 AF48 A03B BFD2 5E8C D036 4141 之间，作为私钥。
    • 第二步，使用椭圆曲线加密算法（ECDSA-secp256k1）计算私钥所对应的非压缩公钥。
    • 第三步，计算公钥的 SHA-256 哈希值。
    • 第四步，取上一步结果，计算 RIPEMD-160 哈希值。
    • 第五步，取上一步结果，前面加入地址版本号。
    • 第六步，取上一步结果，计算 SHA-256 哈希值。
    • 第七步，取上一步结果，再计算一下 SHA-256 哈希值。
    • 第八步，取上一步结果的前 4 个字节。
    • 第九步，把这 4 个字节加在第五步的结果后面，作为校验。
    • 第十步，用 base58 表示法变换一下地址。
  • bech32

mul-sig 多重签名

多重签名用于比如 公司董事会发起转账，对于一个 m-n 地址来说，参与创建者共有 n 人，发出的交易只要有 m 人正确签名就视为有效

比特币中地址其实就是解锁脚本, 多签地址也对应了一个多签脚本，与签名参与者的顺序有关(与参与者的pubkey以及顺序有关)

创建多签脚本:(并不是所有的链都是这个顺序，具体还是看 相应 opcode 在虚拟机中的执行)

m {pubkey1}...{pubkeyn} n OP_CHECKMULTISIG

比如

OP_2 [A's pubkey] [B's pubkey] [C's pubkey] OP_3 OP_CHECKMULTISIG

解锁时:

OP_0 ...signatures...

(OP_0 is required because of a bug in OP_CHECKMULTISIG, a workaround for an off-by-one error in the original implementation; it pops one too many items off the execution stack, so a dummy value must be placed on the stack).

比如

OP_0 [A's signature] [B's or C's signature] [serialized redeem script]

注意: 签名顺序要和多签脚本中pubkey的顺序相同, 验签时会检查签名数量有否满足，然后虚拟机 逐个 按顺序 Verify(pubkey, msg, sig)

Lightning Network

比特币白皮书 发表于 2009 年，闪电网络白皮书 发表于 2016 年。闪电网络起源于比特币的扩容问题。闪电网络是基于微支付通道演进而来，创造性的设计出了两种类型的交易合约：序列到期可撤销合约 RSMC（Revocable Sequence Maturity Contract，哈希时间锁定合约 HTLC（Hashed Timelock Contract）。RSMC 解决了通道中币单向流动问题，HTLC 解决了币跨节点传递的问题。这两个类型的交易组合构成了闪电网络。

ECDSA Failures

Colored Coin

比特币分叉

规则改变时, 网络中新旧节点遵守的规则不同

硬分叉

旧节点不接受新节点产生的区块，导致网络分裂为新链和旧链

软分叉

旧节点接受新节点产生的区块（虽然可能潜在风险）

比特币扩容之争

BCH vs BTC

扩大区块 VS 闪电网络

扩大区块
  • 主要支持者:矿工(比特大陆...)
    • 不过，大区块派并不都反对闪电网络，他们中的一部分并不抵触部署闪电网络，但是坚持在建设闪电网络的同时仍然需要扩大区块。
  • 理由:
    • 闪电网络做的隔离见证对原有比特币系统有 巨大改动 ,万一失败
    • 闪电网络毕竟 不是比特币区块链 ，闪电网络可能会被 中心化的机构 控制，导致比特币的中心化。
  • 利益:
    • 希望赚交易费用，而闪电网络把大量小额交易都隔离开了
闪电网络
  • 主要支持者:Bitcoin Core
  • 建立在 隔离见证 的基础上
  • 理由:
    • 扩大区块需要进行 硬分叉 ，万一有的用户不升级钱包，就会产生对比特币的分裂，造成混乱；
    • 如果区块变大，以后交易越来越多，普通人的电脑上根本就运行不起这么 大的全节点钱包 ，只有机构的电脑可以运行，就会导致比特币的中心化。
  • 利益:
    • Core团队中的好几名成员都在研发闪电网络的公司Block Stream工作,推广闪电网络可以赚取专利费

香港共识

各退一步 部署隔离见证的同时把区块大小扩大到2M，由Core来主导开发。

纽约共识

Core的几个开发者在共识上签完字后，团队里的其他成员却不认同这个共识，不愿意开发，于是香港共识后来连代码都没写，就这样跳票. 矿主对Core失去了信任, 纽约重新召开一个无core团队参与的大会

纽约共识达成的协议跟香港共识很像，也是隔离见证+2M扩容，SegWit2x。区别是纽约共识中，隔离见证和扩容分成了两步进行：

  • 2017年8月1日 激活隔离见证（SegWit）
  • 2017年11月，区块大小扩容到原来的两倍（2x）。

BCC分叉

Core一看被排挤, 在纽约共识约定的隔离见证部署前，提出UASF（用户激活的软分叉），并声称不会对UASF进行任何的 重放保护 。

但UASF最终因算力小且被 SegWit 兼容，没有真产生分叉，反推动比特大陆投资的矿池 ViaBTC（微比特）团队实施了针对 UASF 的硬分叉 UAHF（用户激活的硬分叉）。

  • 8月1日，ViaBTC 挖出了第一个区块，对比特币区块链进行了硬分叉
  • 产生了比特币的克隆竞争币 比特现金（Bitcoin Cash，BCC，国外又称BCH）
    • 比特币现金的区块大小可以上升到8M
    • 可容纳交易笔数是原来比特币8倍左右
    • 去掉了隔离见证
    • 区块容量大，交易速度的确更快，手续费更低
    • 克隆了比特币原链上的余额, 原比特币用户获得等额比特现金

BCH-ABC vs BCH-SV

BCH-ABC

更偏向智能合约, 利用二层网络方案

  • 短出块时间到2分钟，同时区块奖励也相应减少
    • 不造成增发
    • 2分钟说长不长说短不短
      • 作为线下交易使用是过长了，“买咖啡”类的应用必须依赖零确认
      • 对于扩容前景来说，2分钟又太短了。出块平均时间设置在两分钟，而出块的时间间隔的分布是泊松分布，会有大量的相隔几秒的出块，在 GB ， TB 级的区块的时候，很容易造成来不及传输和验证。
  • 引入虫洞方案，利用二层网络方案使得BCH上可以新发token
    • 通过“摧毁”BCH 来获得，是单向的，有去无回。
    • 不能用零确认的BCH，至少要一确认才能让虫洞上的操作接续下去。
  • 引入DSV操作码
    • DSV 操作码的全称为 OP_CHECKDATASIGVERIFY
    • 允许 BCH 对链外结果和数据进行校验
      • 这个方案非常激进，哪怕是在以智能合约为主要特性的ETH或者EOS都没有直接提供对ORACLE或者说外部数据的连接，更多的是结果上链，判定在链下完成。
      • 这个操作码的加入，对bitcoin的原始设定，矿工按打包字节收费这一基础设定有所更改，因为DSV可能是一个复杂操作，但是在字节数上只显示为一个操作码。另外一点，DSV 更改了矿工的定义，矿工从只提供算力校验链上交易的角色码，转变为校验交易和校验数据的双重角色。

BCH-SV

更偏向原始的比特币方案, 不用二层网络方案

  • 扩容，恢复曾经有但被 core 删掉了的操作码，去掉各种限制（比如一个交易内可以使用操作码的数量限制等）
  • tokenized方案，完全利用 OP_RETURN , 在原有网络上增加 token 协议