区块链学习（一）

从事C++服务器开发六年多了，主要是做并发服务器和游戏相关开发，区块链技术新兴起，自己也是很感兴趣，我是零基础学区块链的，给自己设定了一个规划，先读一读区块链相关的基础和概念，以及基本算法，然后用成熟的引擎做一个demo，接下来不断深入学习。

什么是区块链？

一两句话很难解释清楚，至少我自己还不能概括的很全面。我自己的理解是区块链技术包含了很多功能，如点对点传输，分布式数据存储，利用加密和共识算法实现数据的统一。区块链是多个技术的合理应用和创新，我觉得应该在以后的学习中不断去理解。

什么是比特币？

比特币是区块链比较成熟的应用，比特币依赖于区块链技术。

区块链的基本构成

区块链由一个个区块按照规律链接构成，每个区块中包含了很多交易。区块链的形成过程：交易是签过名的数据结构，该数据结构会在区块链网络中广播，并且被收集到区块中，然后区块会在区块链网络中广播，一个区块引用上一个区块从而形成区块链。区块链包括成千上万个区块，而一个区块内又包含一个或多个交易，上下关联的交易组成了一个交易链，一个交易链内部可能又包含了多个交易。

4 比特币地址

比特币地址通常代表收款方，代表一对公钥和私钥的所有者，也可以代表其他。比特币地址是由数字和字母组成的字符串，由公钥生成的比特币地址以数字“1”开头。比特币地址有公钥经过Hash函数生成

交易的原理

交易实质上是包含一组输入列表和输出列表的数据结构，交易包含的结构如下：

一个交易的输入和输出样式：

Input表示交易的输入，一个交易的输入引用的是另一个交易的输出，该交易的输入从交易
f5d8ee39a430901c91a5917b9f2dc19d6d1a0e9cea205b009ca73dd04470b9a6的0号输出中导入了50个比特币，然后该输出发送50个比特币到一个比特币地址的公钥Hash值，404371705fa9bd789a2fcd52d2c580b65d35549d。同样道理，如果接受者想花掉50比特币，需要用output作为自己交易的输入。输入是对其他交易的输出的引用，一个交易可能有很多输入，Previous tx是以前交易的Hash值，Index是被引用交易的特定输出号，
ScriptSig是脚本的签名， Scriptpubkey是脚本的公钥，公钥属于交易输出的收款人，并且表明交易创建者允许收款人获得的输出金额；另一个部分是ECDSA签名，是通过对交易的Hash值进行ECDSA签名而得到的。签名和公钥一起，证明原地址的真正所有者创建了该支付交易。
Value表示支付的金额，1BTC=100000000聪。

找零问题

当需要支付的金额小于可用余额时，在交易信息中必须告诉比特币网络零钱将要被发送至哪个地址，即“找零地址”。找零地址可能是也可能不是原先的发送地址。地址A发起付款到地址B，但此时将找零地址更改为新生成的地址C，此时能保证交易的安全性。
如果找零地址不是C而是A，很多情况会被人追踪到一笔交易的流程。

上图中交易流程很难被推断出来。

区块和区块链

数据会以文件的形式被永久记录，我们称这些文件为区块。一个区块是一些或所有最新比特币交易的记录集，且未被其他先前的区块记录。新区块会被加入到记录的最后，一旦写上，就再也不能改变或删除。
区块结构：

区块头包含6个数据，如下

hashPrevBlock值为前一个块的256位Hash值，也就是前一个块的hashMerkleRoot。该字段使得各个区块之间可以连接起来，形成一个巨大的“链条”。每个区块都必须要指向前一个区块，否则无法通过验证。这个区块链条会一直追溯到源头，也就是指向创世区块。创世区块的hashPrevBlock的值为零或为空。在区块头中，随机数Nonce对每个块唯一。求Nonce没有固定的算法，Nonce有很多值，找到一个满足条件即可。所以要求不断尝试找到合适的Nonce为止，这个过程就是挖矿。
区块内包含许多交易，它们通过Merkle根节点间接被散列，以保证矿工能及时追踪一个正在打包的区块内交易的变化情况。一旦生成Merkle根节点，那么对包含一个交易的区块做散列所花的时间，对包含1万个交易的区块做散列所花的时间是一样的。目标Hash值的压缩格式是一个特殊的浮点编码类型，首字节是指数，后3个字节是尾数，它能表示256位的数值。
一个区块头的SHA-256（一种单向函数的算法，可形成长度为256位的串）值必定要小于或等于目标Hash值，该区块才能被网络所接受。目标Hash值越低，产生一个新区块的难度就越大。Merkle树是Hash的二叉树。在比特币中会两次使用SHA-256算法来生成Merkle树，如果叶子个数为奇数，则要重复计算最后一个叶子的两次SHA-256值，以达到偶数叶子节点的要求。想象有3个交易， a、 b、 c，那么Merkle根的生成过程如下所示：
计算a交易的hash值

d1 = dhash（a）
d2 = dhash（b）
d3 = dhash（c）
由于只有3个元素，是奇数，因而将最后一个元素重算一次
d4 = dhash（c）
接下来将上面产生的hash值两两计算
d5 = dhash（d1 concat d2）
d6 = dhash（d3 concat d4）
d7 = dhash（d5 concat d6）

这里的d7就是以上三个交易的Merkle根。需要注意的是， Merkle树的Hash值是小头位序。

区块链原理和分叉

对于区块链中的任何区块来说，只有一条通向创世块的路径。然而，从创世块出发，却可能有分叉。当两个区块产生的时间仅相差几秒时，可能会产生包含一个区块的分叉。当出现以上现象时，矿工节点会根据收到区块的时间，在先收到的区块的基础上继续挖矿。哪个区块的后续区块先出现，那么这个区块就会被包括进主链，因为这条块链更长。短区块链（或有效区块链）中的区块没有作用，当比特币客户端转向另一个长区块链时，短区块链中所有有效的交易都将被重新加入到交易队列池中，并被包括到另一个区块中。短区块链中的区块收益不会在长链中出现，因而这些收益实际上是丢失了，这就是比特币网络设定100个区块成熟时间的原因。

挖矿原理

比特币的挖矿和节点软件是基于对等网络、数字签名来发起和验证交易的。节点向网络广播交易，这些广播出来的交易需要经过矿工的验证，矿工们会用自己的工作证明结果来表达确认，确认后的交易会被打包到数据块中，数据块会串起来形成连续的数据块链。
每一个比特币的节点都会收集所有尚未确认的交易，并且会将其归集到一个数据块中，这个数据块将和前面一个数据块集成在一起。矿工节点会附加一个随机调整数，并计算前一个数据块的SHA-256 Hash运算值。挖矿节点不断进行重复尝试，直到它找到的随机调整数使得产生的
Hash值低于某个特定的目标为止。由于Hash运算是不可逆的，因此寻找到符合要求的随机调整数将会非常困难，因此需要一个可以预计总次数的不断试错的过程。这时，工作量证明机制就发挥作用了。当一个节点找到了符合要求的解，那么它就可以向全网广播自己的结果。其他节点就可以接收这个新解出来的数据块，并检验其是否符合规则。只要其他节点通过计算Hash值发现其确实满足要求（比特币要求的运算目标），那么该数据块就是有效的，其他的节点就会接受该数据块，并将其附加在自己已有的链条之后.

Nonce随机数通常都不会相同，但是它以严格的线性方式在增长，从0开始，每次执行散列时都会增长，当Nonce溢出时（此事经常发生），挖矿交易的extraNonce项就会增长，其将改变Merkle树的根节点.

挖矿难度

挖矿难度是对挖矿困难程度的度量，即指计算符合给定目标的一个Hash值的困难程度。比特币网络有一个全局的区块难度，有效的区域必须有一个Hash值，该Hash值必须小于给定的目标Hash值。

难度计算公式如下：
diff = diff_1_target / target
目标值是一个很大的数字，这里出现了一个 diff_1_target，这是常数，是一个很大的数字，这个数字也被称作是矿池难度，即矿池挖矿时的最大难度。这个最大难度值是标记为0x1d00ffff的数，这个标记是压缩标记，它的实际值是：

1	0x00ffff * 2*(8(0x1d - 3)) = 0x00000000FFFF00000000000000000000000000000000000000000000000000。

计算时，后面三个字节作为底，前面一个字节1d表示的是次方数，最终得出上面这个数字，挖矿时矿池也可以保留的尾数，即
0x00000000FFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFF

而比特币的挖矿难度，根据上面的公式可知，它和diff_1_target及当前网络目标值(target)有关，将diff_1_target值代入，得到：
diff = 0x1d00ffff / target
在调整难度的时候，只需要调整target大小即可，target越小，难度越大，反之，难度越小。矿池一般用后面全是FF的值来代表diff_1_target，计算出来的难度就叫做矿池难度pdiff，如果用后面全是00的值来代表diff_1_target，那么计算出来的难度值是比特币客户端难度bdiff。这里只是说明，它们有两个值，代表不同计算方式，实际上，它们计算出来的难度并不会相差很远。
网络调整难度的目的，是为了调整出块的速度保持在平均10分钟1个块，每2016个块作为一个周期调整，这样刚好2周作为一个周期，如果这2016个块中，平均出块速率快过10分钟1个块，那么难度将会增大到，维持这个难度的情况下，满足10分钟出一个块的水平。什么时候调整难度呢？由于2016的周期从来没有变过，那么该周期内还剩余的区块数量是可以计算出来的：
该周期剩余区块数量 = 2016 - （当前区块高度 % 2016）
以当前最新一个块 482017 为例
当前高度 % 2016 = 482017 % 2016 = 193
该周期剩余区块数量 = 2016 - 193 = 1823
也即该周期内才出193个区块，得等到1823个块以后才会调整难度，对于BCC来说，也是一样的。

挖矿收益计算

挖矿时，计算出来的区块哈希值，是要小于当前target值的，这个哈希值是一个范围很大的值（从0到(2^256)-1），只有靠矿机的暴力破解，才能算出这个值。
diff_1_target，即0x00000000FFFF0000000000000000000000000000000000000000000000000000 , FFFF后面有26个字节，

123456789101112131415161718192021222324

即8*26 = 208位，所以diff_1_target又可以写成 0xffff*(2**208)。如果当前难度是D的话，那么根据上面我们讲过的公式diff = diff_1_target / target那么target = (0xffff * (2 ** 208)) / D需要要搜索出这个target值，需要计算的哈希次数是2 ** 256 / target将D移到左边，得到D * (2 ** 256) / (0xffff * (2 ** 208))将2 ** 208移到左边，得到D * (2 ** 256) / (2 ** 208) / 0xffff化简得到D * (2 ** 48) / 0xffff也即10分钟(600秒)内要计算这么多次，才能得到一个块，那么平均每秒就是：D * (2 ** 48) / 0xffff / 600将0xffff写成十进制是2 ** 16D * (2 ** 48) / (2 ** 16) / 600化简得到D * (2 ** 32) / 600假设现在全网难度是888171856257，那么平均要计算 6357781793085713285次哈希运算才能得到一个块。我们不妨用现在的算力验证一下，现在的全网算力是5.68 EH/s, 大概接近这个值。难度和算力的关系我们已经看出来了，难度越大，需要的算力就越大。那么以单位为1Th/s的云合约标准算力来计算，一天的收益能够达到多少呢？一天能够计算的哈希次数 = 1T * 86400假设当前难度为D，那么收益 = 1T * 86400 / D / ( 2 * 32) * 600* 块收益

脚本系统

脚本操作码很多，自己去查查吧。下面简述下脚本工作原理。
以下为三个交易的关系图，一个交易的输出是下一个交易的输入。

交易的关系数据图：

交易a hash值为

交易b hash值为

交易a的输出脚本，若干个脚本指令和转账接收方的公钥Hash

交易b的输入脚本，这么一长串只是两个元素，签名和公钥

首先执行的是输入脚本。因为脚本是从左向右执行的，那么先入栈的是签名，随后是公钥。接着，执行的是输出脚本。从左向右执行，第
一个指令是OP_DUP——复制栈顶元素

OP_HASH160用于计算栈顶元素Hash，得到pubkeyhash

然后将输出脚本中的公钥Hash入栈，为了与前面计算中所得到的Hash区别开来，这里称它为pubkeyhash’

OP_EQUALVERIFY则会检查栈顶前两个元素是否相等，如果相等则继续执行，否则中断执行，返回失败

OP_CHECKSIG使用栈顶前两个元素执行签名校验操作，如果相等，则返回成功，否则返回失败

没看懂？再来一遍
以著名的Pizza Transaction为例，来验证一个交易是否是有效的
在交易cca75078…4d79中，唯一的TxIn输入提供的sigScript是：

8b4830450221009908144ca6539e09512b9295c8a27050d478fbb96f8addbc3d075544dc41328702201aa528be2b907d316d2da068dd9eb1e23243d97e444d59290d2fddf25269ee0e0141042e930f39ba62c6534ee98ed20ca98959d34aa9e057cda01cfd422c6bab3667b76426529382c23f42b9b08d7832d4fee1d6b437a8526e59667ce9c4e9dcebcabb

该sigScript实际上由两部分构成：
签名：30450221…ee0e01（71字节+1字节签名类型），实际签名是去掉最后一个字节01的30450221…ee0e，签名类型是SIGHASH_ALL（0x01）。
公钥：042e930f…cabb（65字节）
为了验证该交易是否有效，我们首先要根据TxIn所声明的Previous Output Hash：a1075db5…d48d和索引0找到上一笔交易的输出a1075db5…d48d。
这笔交易输出的脚本是：
1976a91446af3fb481837fadbb421727f9959c2d32a3682988ac
比特币的脚本由一系列指令和数据构成，每个指令占用一个字节，数据由数据头部的长度决定。上述二进制脚本翻译后的比特币指令如下
OP_DUP OP_HASH160 46af3fb4…6829 OP_EQUALVERIFY OP_CHECKSIG
现在，我们有了签名，公钥和脚本：
sig: 30450221…ee0e01
pubkey: 042e930f…cabb
script: OP_DUP OP_HASH160 46af3fb4…6829 OP_EQUALVERIFY OP_CHECKSIG
就可以运行这个脚本来验证交易是否有效。
比特币脚本被设计成以栈来运行的虚拟机指令，它只有有限的几种指令，并且故意被设计成没有循环、条件跳转，所以，比特币脚本不是图灵完备的语言。
比特币脚本的执行非常简单。我们首先要准备一个空栈，然后把签名和公钥入栈：

紧接着，我们就可以执行TxOut的脚本：
OP_DUP OP_HASH160 46af3fb4…6829 OP_EQUALVERIFY OP_CHECKSIG
首先执行OP_DUP，这条指令把栈顶的元素复制一份，所以结果变成：

紧接着执行OP_HASH160，它对栈顶元素计算SHA256/RipeMD160，实际上是计算公钥Hash，所以运行结果变成

接下来的指令实际上是一个数据，我们直接把数据入栈：

然后，执行OP_EQUALVERIFY，这条指令会比较栈顶的两个元素是否相等，如果不等，整个脚本就执行失败了，如果相等，脚本会继续执行，所以运行结果变成

最后，执行指令OP_CHECKSIG，这条指令会验证签名.
其实脚本的验证过程就是根据自己的输入将签名和公钥入栈，根据上一个交易的输出脚本指令依次执行，判断结果是否和上一个交易要求的公钥地址匹配。换言之，谁能根据我输出脚本的规则计算出符合我要求的公钥地址，谁就能使用这笔交易。