BTC经典算法(POW篇/下)

本帖仅做科普向，不推荐任何人参与挖矿/区块链交易等行为

OK，上篇提到了Hashcash这种难度-证明类型的算法，那我们现在就来看看这套类型的算法是怎样在BTC中运行的吧

1. 交易包的结构

在正式开始之前 ，我说一点题外话 我们先来了解一下BTC想要干啥吧，BTC的白皮书叫做: 《Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System》，翻译一下就是《比特币：一种点对点的电子现金系统》，这个系统本身只干一件事: 记账。对，没错，就只是记账，只记录，A向B转账1块钱，然后B账户上就真的多了一块钱，A账户上就真的少了一块钱，很简单的一个功能，没有备注，没有交易银行，也没有支付方和收款方别名。所以这种账单类型的数据，天生就很适合做一种格式化的填充，比如这样:

但是，请注意，此系统为分布式去中心化系统，所以在整个系统中，上述很多地方会被替换掉，首先就是收款方和付款方，因为这里并非中心化的记账系统，身份识别是一道难题，主要有两点:

1. 整个网络的身份验证必须保持唯一，不许两个人验证后持有同一个账户(不然用户A持有账户A，用户B也能证明账户A属于他)
2. 密码不可暴露，不可能像传统银行那样，你只要输入的密码对得上，那这个账户就是你的(如果真这样做的话，那么处理你交易的节点有可能就想: 反正我有你的密码和账户名，偷偷给你账户往我账上转100块你也不知道)

所以这就引入了第一个密码学算法: 非对称加密算法(简单类比就是虎符)，用户秘密保存私钥，验证的时候使用私钥对某些字符串进行签名/加密，别人可以通过公钥进行解密(可以类比为，虎符的两半，有一半由用户秘密持有，另一半可以复制无数份发送给验证者，在验证时候，只需给用户一张纸，用户用自己的那一半虎符盖个章，别人再拿另一半盖个章一比对就知道是否对得上了)

所以这里我们采用公钥类型的数据来作为账户的表示方法，为了增加复杂性，BTC中不会直接用公钥来表示账户(因为只采用单一算法的话还是很容易被逆向出来私钥)，而是采用公钥经过摘要算法得到的数据经过Base58编码后得到的字符串作为账户表示(地址)

所以上图我们可以替换为下面的:

注意，此图并非BTC交易中的真实结构，真实结构会在终篇，UTXO交易模型中详细说明

2. merkel Tree

好的，现在我们继续，有了交易包之后，接下来等待的就是交易打包环节了。为了提高处理效率，整个系统采用批量处理交易的方式进行记账: 一次性打包N个交易，成为不可篡改的“区块”

还记得上篇帖子刚提到的摘要算法吗，为了提升验证效率(当然也可能是为了吸引手机，非专业设备玩家入场)，我们完全可以做如下操作: 把交易数据计算一次摘要值，然后按照摘要值大小排个队，让他们两两结合再次计算摘要，计算的摘要再次两两结合.....直到只剩一个摘要值，如下图(摘要值7的计算流程，这里只是举例，实际交易数量不会这么少)

这个数据结构就是大名鼎鼎的merkel Tree，你可能没听过，但是你应该用过，git最核心的算法就是依托于merkel Tree进行实现的，这样做有几个好处:

1. 最终验证结果收敛为1，提升了信息密度
2. 如果有交易被篡改，很容易根据merkel root和其他信息验证出来

3. 区块链结构

现在我们有了一整块交易的摘要root(区块体)，接下来我们来看看区块头怎么设计

既然都叫做区块链了，大家熟悉链表的都知道，链里面必不可少的就是指针了，那么区块链的主要工作方式前文也已经隐约有提及，就是不断打包制造新的区块，所以这个指针肯定是指向前一个区块了，所以我们大概就有了一个雏形:

现在我们再思考一点问题，如果BTC就这样，那是不是意味着，所有节点都可以在同时宣布自己打包了xxxx的区块，然后把自己打包的结果加在本地最新的一个节点的结尾？结果可能就像这样: （尽管你可以通过加锁，或者其他方式排除掉干扰，但你始终面临一个问题: 节点分布在全球各地，不可能同时就收到最新的节点，那就会导致这样的结果）

所以，为了等待全球节点同步，BTC中引入了难度NONCE和Difficulty Adjustment机制，全球节点采用同一套算法(Difficulty Adjustment)，严格将出块时间控制在十分钟(大概逻辑就是，如果出块太快了，则难度加大4倍以内，出块太慢了难度则减少为原来的1/4)

于是，完整的区块头就大概长这样(省略了很多信息，保留核心信息如下):

还记得我们开头提到的Hashcash吗，这里的证明机制很有意思: 将整个区块头(包含NONCE这个值代表随机数) 进行计算，最终算出满足当前的Difficulty(难度全网统一)的值即视为打包成功(满足当前DIFF值的意思，算出来的摘要值，最前面有DIFF个0)，此时打包成功的节点获得奖励(BTC)，其他信息是节点无法调整的，只有NONCE值是可以调整的，所以这套算法形象地被人称作挖矿: 你永远不知道下一个nonce是否会达到diff的要求，就和矿工不知道这一镐子下去，地下会不会挖出金子一样

下期预告，BTC的 UTXO交易模型