比特幣:區塊鏈入門 | 一文看懂比特幣新區塊產生的過程_COI

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。

賽迪智庫蒲松濤：應確保區塊鏈新基建都合規合法:對于下一步應該如何來推動區塊鏈的發展，賽迪智庫信息化與軟件產業研究所軟件研究室主任蒲松濤表示，一是明確監管要求，明晰區塊鏈新基建的紅線，確保區塊鏈新基建都合規合法，也為區塊鏈基礎設施建設和行業應用創新提供指引。二是組織開展試點，發揮各地建設的積極性，設立一些試點示范區域，鼓勵試點區域利用沙盒等技術積極開展應用探索，形成可推廣可復制的建設經驗。三是加強測試驗證和信息公開。通過測試確保區塊鏈基礎設施在功能、性能、可靠性等方面達到應用要求，確保建設內容符合預期。通過信息公開保證建設內容受到行業企業、組織監督，保障建設質量，避免劣幣驅逐良幣。四是完善建設標準。圍繞基礎架構、數據結構、通信協議、智能合約規范等領域盡快研制行業標準、國家標準，為區塊鏈基礎設施建設提供參考。（中國電子報）[2020/4/30]

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。

動態 | 國家電網：研究建立適應區塊鏈技術的安全保障機制:12月15日，記者自國家電網獲悉，國家電網有限公司黨組理論學習中心組（擴大）開展區塊鏈技術專題學習，進一步探索推進區塊鏈技術在能源電力行業的應用，加快“三型兩網、世界一流”戰略實施。國家電網稱，推進區塊鏈技術在能源電力領域的應用，對加快泛在電力物聯網建設、促進國家電網數字化轉型，具有重要的戰略意義。公司將密切跟蹤區塊鏈技術的發展趨勢，強化區塊鏈基礎研究，開展底層技術創新，確保關鍵核心技術自主可控；堅持需求導向和應用統籌，積極推進區塊鏈技術與泛在電力物聯網的融合發展，在優質服務、安全生產、企業運營、電力金融和能源交易等領域拓展應用；強化風險意識、底線思維，研究建立適應區塊鏈技術的安全保障機制，確保電網安全、信息安全；推進區塊鏈標準體系建設，加快構建區塊鏈產業生態，帶動產業鏈上下游協同發展，為公司“三型兩網”世界一流能源互聯網企業建設注入新動能。（新京報）[2019/12/16]

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。

聲音 | 許世琴：建議金融機構積極運用區塊鏈等金融科技工具:金色財經報道，重慶工商大學財政金融學院金融系主任許世琴建議金融機構，積極運用大數據、云計算、區塊鏈等金融科技工具，主動擁抱金融科技，打造“平臺+生態”的開放金融。[2019/12/13]

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

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。

聲音 | 美國眾議員：區塊鏈正在改變現有金融系統以及網絡安全:據cointelegraph報道，4月10日，美國一些主要銀行的首席執行官在美國眾議院金融服務委員會上與立法者們討論了自2008年金融危機以來銀行業的變化，討論的內容包括區塊鏈技術和加密貨幣。眾議員Warren Davidson認為，該行業正在進入一個創新的新時代，區塊鏈技術正在改變現有的金融系統以及網絡安全。Davidson還指出，由于監管確定性問題，美國目前正在蹣跚前行。Davidson指出，摩根大通董事長兼首席執行官Jamie Dimon曾在2017年稱加密貨幣“不是真實的”，而摩根大通在今年則推出了“JPM Coin”。Dimon回應稱，區塊鏈會隨著時間的推移而發揮作用。[2019/4/11]

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。

現場 | 鄭子彬：區塊鏈可以解決物聯網設備之間的協作及之間的交易問題:金色財經現場報道，4月10日，國家數字家庭工程技術研究主心副主任/區塊鏈與智能金融研究中心主任鄭子彬在\"2019第二屆深圳國際區塊鏈技術與應用大會”現場演講時指出，工業4.0會帶來大量物聯網傳感器設備，這些設備間的數據傳輸量巨大，5G可以解決數據傳輸量的問題，區塊鏈可以解決設備之間的協作，以及它們間的交易問題，IPFS可提供數據存儲方案，這幾類技術結合起來，可以保障整個技術的發展。同時，他也表示，當前行業還面臨著一些挑戰。第一是監管挑戰。監管不解決，對技術的發展很不利；第二是激勵問題。大家都在等待Filecoin的上線，它決定了技術的走向，這個能不能成功是需要時間驗證的，所以還要繼續等待；第三是網絡優化。未來會占用大量的帶寬，所以需要在技術上做優化。[2019/4/10]

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

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：

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比特幣目標哈希值比特幣區塊結構精通比特幣

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