比特幣:科普：比特幣新區塊產生的過程_ERK

這是博主挖礦科普專輯的第二篇內容，承接上一篇“比特幣交易的過程”，繼續通過分析比特幣交易從發起到確認的全過程來一睹比特幣挖礦的全貌。比特幣交易的過程實質上是一堆UTXO消耗和產生的過程，這些過程由交易發起方按照比特幣協議規定的方式構造交易信息，并由比特幣網絡產生的新區塊記錄和確認，一旦交易信息由比特幣區塊記錄并確認，交易便完成了，比特幣網絡也就實現了價值的轉移。

在“比特幣交易的過程”一文中，我們已經知道比特幣的交易信息是如何構造的，但是這些信息又是如何進入比特幣新區塊的呢？接下來博主將通過比特幣新區塊產生的過程來具體說明比特幣區塊是如何記錄并確認交易信息的。這里需要先安利幾個知識點：交易池，英文名稱：mempool，又叫內存池，是用來存儲待確認交易的地方，每個比特幣挖礦節點均有自己獨立的交易池，因交易池體積，最低交易費比例限制等不同，各節點的交易池也不相同。礦工在構造預備區塊時，需要從交易池中選擇要打包的交易。由于交易池經常被調用，它的數據被存放在節點服務器的RAM中，這就意味著交易池的體積不會太大。挖礦節點，在比特幣網絡中，參與記錄和驗證比特幣交易和區塊的是一個個保存比特幣數據的節點。其中有一部分節點，不僅參與記錄和驗證的工作，還參與比特幣新區塊的創建工作，他們構造新區塊，并通過PoW工作量證明競爭記賬權，進而獲得創建新區塊的權限，這部分節點是挖礦節點。早期的挖礦節點有礦工，也有礦池，但當前由于比特幣挖礦難度太高，單個礦工很難贏取記賬權，創建新區塊。目前主要的比特幣挖礦節點，是各家礦池，如F2Pool，Poolin，BTC.com，Antpool，Slushpool等。UTXO庫，比特幣節點通過掃描節點所有交易信息，構建的UTXO集群。它包含所有未被消耗的UTXO。每當新區塊產生后，UTXO庫會將新區塊中消耗掉的UTXO從自己的列表中刪除，將新產生的UTXO加入到自己的列表中。Coinbase獎勵，又叫創幣交易。比特幣協議規定，每產生一個新的比特幣區塊，比特幣網絡就會產生N個比特幣，作為維護比特幣網絡的獎勵支付給創建這個區塊的礦工。同時，此區塊中Coinbase獎勵之外的其他交易包含的所有交易費，也會合并在Coinbase獎勵中，一起支付給創建這個區塊的礦工。其中，N的數值在比特幣誕生時為50，此后大約每4年減半一次，目前為6.25，比特幣網絡以這種減半的方式來控制比特幣的總量。Coinbase獎勵是每個區塊記錄的第一筆交易。待確認的交易會先進入交易池中

人大附中物理老師李永樂科普拜占庭將軍問題和區塊鏈:5月14日，人大附中物理老師、科普視頻網紅李永樂在其公眾號發布視頻《拜占庭將軍問題是什么？區塊鏈如何防范惡意節點？》。李永樂老師在視頻中對拜占庭將軍問題和區塊鏈進行了講解，他表示，拜占庭將軍問題本質上指的是，在分布式計算機網絡中，如果存在故障和惡意節點，是否能夠保持正常節點的網絡一致性問題。在近40年的時間里，人們提出了許多方案解決這一問題，稱為拜占庭容錯法。例如蘭波特自己提出了口頭協議、書面協議法，后來有人提出了實用拜占庭容錯PBFT算法，在2008年，中本聰發明比特幣后，人們又設想了通過區塊鏈的方法解決這一問題。區塊鏈通過算力證明來保持賬本的一致性，也就是必須計算數學題，才能得到記賬的權力，其他人對這個記賬結果進行驗證，如果是對的，就認可你的結果。與拜占庭問題比起來，就增加了叛徒的成本。[2020/5/14]

當我們要發起一筆比特幣交易時，交易發起方構造好交易信息，此時的交易信息是待確認的交易，它包含交易輸入信息和交易輸出信息。待確認交易在經過驗證后，由交易發起方向比特幣網絡廣播，比特幣網絡中的節點，均可驗證和收錄廣播的信息。其中，挖礦節點會在收到廣播后，驗證待確認交易信息，驗證通過后，挖礦節點會將待確認交易加入到自己的交易池中。

動態 | 鏈客社區聯合北京交通廣播推出區塊鏈技術科普節目:12月11日15:15—16:00，區塊鏈技術社區——鏈客區塊鏈技術社區將聯合北京交通廣播FM103.9從零開始為大眾科普解碼區塊鏈技術，蜻蜓FM及北京廣播網同期進行全球直播。首期做客嘉賓為鏈客區塊鏈技術社區創始人郄建軍和百度區塊鏈產品負責人于雅楠。[2019/12/11]

圖1待確認交易進入交易池需要驗證的交易信息包括：交易是否包含有效的輸入和輸出錢包地址；交易體積是否小于區塊的最大體積；輸入的UTXO是否合法；交易輸入總額和輸出總額是否合理；判斷交易的輸入是否有來自Coinbase的獎勵，該獎勵對應的幣需至少有100個區塊確認才能可以使用；確認交易池中沒有重復交易；交易設置的交易費高于mempool的交易費比例限制，以及其他驗證。挖礦節點從交易池中選擇交易，構造預備區塊

聲音 | 上海股交所總經理：區塊鏈想要大規模發展要做好社會科普工作:金色財經報道，上海股交所總經理張云峰表示，區塊鏈當前還處于一個“概念”的階段，距離成熟應用，影響到百姓的日常生活還有很長的路要走。對于“區塊鏈”和其會帶來的社會和經濟效果，沈陽應當持審慎的態度。區塊鏈想要大規模發展，一方面要做好這項復雜技術的社會科普工作，加快社會大眾對區塊鏈的了解。另一方面，要充分發揮市場的作用，讓企業用實實在在的技術創新，賦能實體經濟的發展。[2019/11/17]

當挖礦節點要構造預備區塊，準備生成新區塊時，會按照優先級排序，從交易池中取待確認交易。預備區塊通常會預留一定空間給高優先級的交易，剩下的空間會按照交易費比例由高到低順序一直把區塊加滿或者把交易池的交易用光。但比特幣區塊中不僅僅包含從交易池中取的待確認交易。按照比特幣協議規定，比特幣的區塊主要包括五個部分：魔數，區塊大小，區塊頭，交易計數器和交易信息。如下圖：

金色財經獨家分析 監管機構、媒體、業界提示詐騙風險 區塊鏈科普道阻且長:新華社今日發文表示，近來“區塊鏈”類詐騙案件頻發，不法分子以“投資虛擬貨幣周期短、收益高、風險低”為借口，騙取用戶信任并誘使其轉賬進行投資。無獨有偶，同日消息，騰訊手機管家安全專家也提醒此類風險，并從技術上提出防騙建議。在美國，監管機構警示加密貨幣欺詐現象普遍承諾高收益而不披露潛在風險。金色財經獨家分析，不法分子假借新技術之名進行詐騙，一方面是抓住民眾趨利的心理，一方面反映出區塊鏈科普的欠缺。區塊鏈是新興科技和底層技術并有改變社會生產關系的潛力，應該進行系統性的科普教育，當前，部分大學已經開始設置了區塊鏈課程，但對于普通民眾仍然有科普的需求，人們應該了解到系統和正確的知識，不僅要了解區塊鏈的好，也要明確局限和弊端，以在高收益的誘惑下，保持清醒客觀。[2018/4/11]

財政部副部長朱光耀：數字經濟還處在發展的過程中，要以科普、推動的態度來推進數字經濟發展:今日，在中國發展高層論壇2018年會上，財政部副部長朱光耀表示：“數字經濟還處在發展的過程中，要以科普、推動的態度來推進數字經濟發展。也要關注數字經濟的其他影響，包括稅收征管、反洗錢監管措施等要跟上。”[2018/3/25]

圖2比特幣區塊的結構其中，“魔數”是一個值為0xD9B4BEF9的常數；“區塊體積”是本區塊所有數據的總體積；“區塊頭”是可以看作是整個區塊的縮略信息，挖礦用到的區塊信息就是區塊頭；“交易計數器”用來記錄區塊中交易的數量；“交易數據”是區塊所包含的所有交易信息，包括Coinbase獎勵部分，一般來說，這部分數據占了整個區塊絕大部分空間。在比特幣區塊中，區塊頭是最為關鍵的一個信息。它包含整個區塊的所有特征信息：區塊版本號。創建區塊的比特幣節點的版本信息，用于追蹤比特幣協議的升級和更新情況；前一個區塊的哈希值。又叫做父區塊哈希，用來定位上一個區塊。每一個區塊都包含它的上一個區塊的哈希值，針對任何一個區塊的任何一個微小的改動，都會使后續區塊的哈希值產生巨大的變化，如此環環相扣，確保比特幣所有區塊形成一條單一的鏈式結構，可以有效防止惡意篡改比特幣區塊數據的行為。MerkleRoot哈希。在區塊的交易數據列表中，取所有交易數據的哈希值，構建Merkle樹，這個Merkle樹的根哈希值，即為MerkleRoot哈希。如下圖：

圖3交易數據的Merkle樹結構由于哈希算法的敏感性，整個交易的Merkle樹中任何一個交易數據有微小的改動，都會產生聯動效果，導致Merkle樹的根哈希值出現巨大變化。因此交易數據的Merkle樹根哈希值可以看作是整個交易的指紋，用來指代區塊中的交易數據。時間戳。創建預備區塊的時間。當前目標哈希值。比特幣協議規定，礦工創建的預備區塊的哈希值小于目標哈希值時，這個區塊才算有效。目標哈希值由挖礦難度確定，當挖礦難度變大時，目標哈希值變小，礦工要找到符合比特幣網絡要求的哈希值就越困難。按照當前的挖礦難度，要找到低于目標哈希值的哈希值，理論上需要一臺S17礦機連續工作42年時間。因此，現在基本不存在個人自建節點挖比特幣的情況。隨機數。又叫Nonce。我們可以發現，區塊頭信息中，區塊版本號，前一個區塊的哈希值，MerkleRoot哈希值，時間戳，以及當前目標哈希，都是已知信息，相對固定，不便隨意更改。因此，如果要調整預備區塊的哈希值，就需要引入一個可變的數據——隨機數。修改隨機數，就可以調整預備區塊的哈希值。挖礦節點構建好預備區塊后，就會將區塊頭信息下發給礦工，礦工通過不斷調整區塊頭中的隨機數來變更預備區塊的哈希值，當預備區塊的哈希值低于比特幣網絡當前目標哈希值時，這個區塊就是一個合法新區塊。挖礦節點會及時地向比特幣網絡廣播新區塊，比特幣網絡中其他比特幣節點在接到廣播信息后，對新區塊進行驗證，驗證通過后，將新區塊加入本地，并延長節點的區塊鏈。此時，新區塊創建并確認完畢，對應交易也完成了。參考資料：比特幣源碼分析比特幣區塊頭結構分析：比特幣目標哈希值比特幣區塊結構精通比特幣

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