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[比特币] 比特币的实现
比特币系统是一个基于交易的账本，这意味着账本中存储的是一笔交易。 那么比特币能当钱花吗，用户在进行转账交易时，首先需要保证用户持有的金额大于或等于待交易的金额。 这样做的目的是为了避免双花问题。
这种以交易为基础的账本的优点是有更好的隐私保护，缺点是每笔交易都需要说明币种的来源。
在比特币的全节点中，内存中会维护一个名为UTXO（Unspent Transaction Output）的数据结构——未花费交易输出，用于记录哪些交易输出已经被消费，哪些交易输出尚未被消费。 没有消耗。 已消费的交易输出将从 UTXO 中移除。
随着比特币系统交易量的不断增加，UTXO 的交易量也在不断增加。 虽然消耗的交易输出会被移除，但UTXO中也会有一些陈旧的交易输出。 有的是所有者不使用的（比如中本聪账户下的），有的是丢失私钥后无法使用。
因此，在执行交易的过程中，首先会从UTXO中获取，看交易中输入的比特币数量是否大于等于交易输出的数量，即（total quad inputs >= total quad输出），不同的是支付给记账节点的小费。 因此，比特币的奖励不仅仅是区块奖励，还有交易过程中支付的小费。 但在当前环境下，各节点争夺记账权主要是为了区块奖励。
解决难题
比特币中的区块头结构如下：
class CBlockHeader
{
public:
// header
int32_t nVersion; // 当前使用的比特币版本，不可更改
uint256 hashPrevBlock; // 前一个区块的Hash，不可更改
uint256 hashMerkleRoot; // MerkleTree的根Hash
uint32_t nTime; // 时间戳，因为比特币网络不要求绝对的时间同步，所以这个值可以小范围的调整
uint32_t nBits; // 目标阈值，根据协议定期调整
uint32_t nNonce; // 随机数
......
}
nonce 是一个无符号整数，这意味着它的值在 (0 sim 2^{32}) 范围内。 按照目前的挖矿难度，很可能所有的计算都找不到(2^{32})个值。 这个时候怎么办？
从上面比特币区块头的定义可以发现，除了nonce可以修改外，hashMerkleRoot也是可以修改的。
正如上一节所述，每个区块都包含一个铸造交易，其中包含一个 coinbase 字段。 在比特币交易中，这个字段是不勾选的，也就是说可以随意写入这个字段。 在《数据结构》一章介绍MerkleTree的时候提到过比特币能当钱花吗，修改MerkleTree的任意一个叶子节点，都会影响到MerkleTree的根Hash值。 因此，当区块头中的4字节nonce不够时，可以使用其他字节，比如使用coinbase字段的前8字节作为extra-nonce，这样搜索空间就扩大到(2 ^{ 96}）。
所以实际挖矿的时候会有两层循环。 外层循环调整 coinbase 域中的 extra-nonce。 计算出区块头中的根哈希值后，内层循环调整区块头中的随机数。
在比特币中，解谜的过程也被称为“挖矿”，因为它就是在一个很大的空间里找到一个非常有价值的物品。
挖矿过程中的每一次尝试都可以看作是一次伯努利试验，这意味着每次计算的结果都不会影响下一次计算的结果。
虽然挖矿过程本身没有实际意义，但挖矿过程对于维护比特币系统的安全至关重要。 挖矿提供了一种通过计算能力进行投票的有效方式。 只要大部分算力掌握在诚实节点手中，系统的安全性就可以得到保证。
比特币系统安全分析
假设大部分算力掌握在诚实的矿工手中，我们能得到什么样的安全保障？ 你能保证写入区块链的交易是合法的吗？
挖矿只提供概率保证。 只能说下一个区块由诚实矿工出块的概率比较大，但不能保证记账权不会落入恶意节点手中。
偷硬币
恶意节点可以盗币吗？ 答案是否定的，因为他没有私钥，不能伪造别人的签名。
如果恶意节点将盗币交易写入区块链，诚实节点将不会接受这个区块，因为它包含非法交易。 因此，诚实节点会沿着前一个区块继续挖掘，并产生新的区块来替代非法区块，其他诚实节点也会沿着这个合法区块继续挖掘。 比特币的要求是扩展正常的合法链。 结果不仅没有得到区块奖励，没有钱被盗，还浪费了算力。
双花
恶意节点能否实施双花攻击？ 答案是不。 如果从M向A转账的交易已经写在一个区块中，此时他已经获得了记账权，他发起另一笔交易将转账给A的钱转给自己，发起双花攻击。 诚实节点不会接受这个块。
如果他还想发布这个区块，他只能把这个区块连接到记录上次转账交易区块的前一个区块上。 应该插入区块的位置在挖矿开始时就确定了，因为区块头需要填充上一个区块头的Hash。 这样就会生成两条链，两条链都是合法的。 之后就看其他节点往下扩展到哪条链上了。 最终只有一条链获胜，另一条链失效。
双花攻击的目的是将钱转给A获取某物后，将花掉的钱转给自己，从而达到不正当获利的目的。 但是按照上面的操作，只会有两种结果：支付比特币给A买东西，或者把钱转给自己，什么也得不到。 显然，这两个结果都没有达到双花攻击的目的。
那么在使用比特币支付商品时，如何避免上述问题呢？
在比特币协议中，默认情况下，包含交易的区块后面有6个新区块，只有这样才能认为交易成功。 以平均出块时间10分钟计算，交易发起后一小时需要确认交易。
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