提示：以下內容只是個人在學習過程中記錄的筆記，圖片均是肖老師課程的截圖，可供參考。如有錯誤或不足之處，請大家指正。

一、BTC網絡

比特幣網絡傳播的工作原理（the BitCoin network）：
比特幣工作在應用層（application layer），底層是P2P的overlay network（覆蓋網絡）。

比特幣的P2P網絡結構非常簡單，所有節(jié)點都是對等的，沒有超級節(jié)點/主節(jié)點（super node / master node），所有節(jié)點都是平等的，要加入這個網絡，首先要知道至少有一個種子節(jié)點（seed node），然后和種子節(jié)點聯系，種子節(jié)點會告訴它所知道的節(jié)點信息。節(jié)點之間是通過TCP協議通信的，有利于穿透防火墻。節(jié)點要離開網絡不需要任何操作通知其他節(jié)點，只需要退出應用程序即可。其他節(jié)點一段時間內沒有接收到某個退出網絡的節(jié)點的消息，會自動將該節(jié)點從網絡中刪除。

比特幣網絡的設計原則：
simple（簡單），robust（魯棒） ，but not efficient（而不是高效）。

每個節(jié)點維護一個鄰近節(jié)點的集合，消息傳播在網絡中flooding采取方式。節(jié)點第一次聽到消息后，把消息傳播給其他鄰近節(jié)點，同時記錄此消息已被記錄，下次再接收到該消息就不用再轉發(fā)給鄰近節(jié)點。
鄰近節(jié)點的選取是隨機的，沒有考慮底層的拓撲結構。

現實節(jié)點網絡IP地址不同可以增強魯棒性，但是犧牲了效率。

比特幣系統中每個節(jié)點要維護等待上鏈的交易的集合。當節(jié)點第一次監(jiān)聽到某個交易時，把這個交易加入等待上鏈的交易集合中，并且轉發(fā)該交易給鄰近節(jié)點，再一次收到該交易就無需轉發(fā)，可以避免交易在網絡中無限傳播。

轉發(fā)交易的前提是交易合法。

新發(fā)布的區(qū)塊在網絡中傳播的方式和新發(fā)布的交易是類似的，每個節(jié)點除要檢查區(qū)塊交易內容合法性之外，還要檢查是否在最長合法鏈上。

越大的區(qū)塊，傳播速度越慢（區(qū)塊大小限制：1M）。
比特幣網絡采用的傳播方式非常耗帶寬，帶寬是瓶頸。

比特幣網絡傳播屬于best effort （盡力而為）。一個交易發(fā)布到比特幣網絡上，不一定所有節(jié)點都能接收到，每個節(jié)點收到的交易順序也不一樣，網絡傳播存在延遲，有的節(jié)點不一定按照協議要求進行轉發(fā)交易，導致某些合法交易收不到，有些節(jié)點會轉發(fā)不合法交易消息，這是去中心化面臨的一個問題。

回滾交易不等于后一個交易對前一個交易的退款。

二、BTC-挖礦難度

挖礦就是不斷嘗試nonce值小于等于給定的目標預值。目標預值越小，挖礦難度越大。調整挖礦難度就是調整目標空間在整個輸出空間中所占的比例。

比特幣使用的哈希算法：SHA-256 。產生的哈希值是256位，整個輸出空間是2的256次方的可能的取值，調整這個比例，通俗的說就是哈希值前面要有多少個0。目標預值并不是哈希值前面都是0，后面從某一位是其他數字或字母。

挖礦難度和目標預值成反比。挖礦難度最小為1，對應的目標預值數很大。

不調整挖礦難度會出現的情況：總算力越來越強，挖礦難度不變，出塊時間會減短。
出塊時間太短會容易出現分叉，這種分叉會成為常態(tài)，會出現多分叉，如二分叉、十分叉。
分叉出現過多不利于系統達成共識，會危害到系統的安全性。系統中總算力越強，安全性越好。

51%攻擊：惡意節(jié)點掌握系統中51%以上的節(jié)點，就會做出對系統不利的操作。
如果系統中有很多分叉，系統總算力會被分散，誠實節(jié)點根據網絡中位置的不同，可能會沿著分叉繼續(xù)擴展，某個分叉的惡意節(jié)點可能會集中算力進行拓展，逐漸拓展成最長合法鏈，當算力被分散后，51%的攻擊 的比例可能會更低。

出塊時間要有一個常數的波動范圍，不能無限地減小。
以太坊出塊時間是每隔15秒一個塊，出塊時間大大減少后，以太坊設置了ghost共識協議。

分叉產生了orphan block，這些區(qū)塊不能簡單丟棄，需要給一些獎勵uncle reward。以太坊中也需要調整出塊難度保持穩(wěn)定。
無論出塊時間設置成多少，都要保持穩(wěn)定，不能無限減少。

比特幣中調整挖礦難度：
每隔2016區(qū)塊調整一次挖礦難度，大概是兩個星期。
調整目標預值公式：

如果實際調整時間超過兩個星期，說明出塊時間超過十分鐘間隔，挖礦難度應該調低；如果實際調整時間不超過兩個星期，說明出塊時間小于十分鐘間隔，速度塊，應該調高挖礦難度。

實際調整難度代碼中，上調下調難度都有四倍的限制，假如實際調整時間超過了八個星期，也按照八個星期計算調整，目標預值增大最多也只增加四倍，不會一次性超過四倍，主要是為了系統中出現意外情況導致目標預值有特別大的活動。

如何讓所有礦工同時調整目標預值？
調整計算目標預值的方法寫在比特幣系統中的代碼里，每挖到2016個區(qū)塊會自動進行調整。

代碼是開源的，如果某個惡意節(jié)點不進行調整，該惡意節(jié)點發(fā)布的區(qū)塊會不被誠實節(jié)點接受。
nBits域是target編碼的版本，在塊頭沒有直接存儲target域，target域需要32字節(jié)，nBits是4字節(jié)，也可以說nBits是target的壓縮編碼。如果惡意節(jié)點不進行調整目標預值，檢查區(qū)塊的合法性會不能通過。因為每一個區(qū)塊要獨立驗證合法性，檢查內容包括nBits目標預值是否正確，如果不一致發(fā)布的區(qū)塊會不被其他節(jié)點接受。

以太坊調整挖礦難度是每個新出的區(qū)塊都有可能會進行調整，而且調整方法也比比特幣更為復雜。

比特幣成功，從某種意義上說是因為它更不實用，比特幣沒有任何真正法幣背書，沒有底層的保證應用，是憑空造出來的貨幣。比特幣的設計比較保守，也是后面有很多新的加密貨幣發(fā)展出來的原因之一。

2009-2018年比特幣系統總算力的變化情況（圖片來源于肖臻老師視頻截圖）： 2009-2018年比特幣系統挖礦難度的變化情況（圖片來源于肖臻老師視頻截圖）：
比特幣系統2017年11月-2018年5月半年期間的難度變化曲線（圖片來源于肖臻老師視頻截圖）：

上圖說明挖礦的人越來越多，設備越來越先進，反映出大家對比特幣的熱情越來越高。
如果是相反情況，說明大家對這種幣熱情減少。

比特幣系統2010-2018年每天的出塊時間（圖片來源于肖臻老師視頻截圖）：

上圖可以看出總體上出塊時間穩(wěn)定在十分鐘左右上下波動，說明難度調整達到預期目的

比特幣系統2018上半年的出塊時間（圖片來源于肖臻老師視頻截圖）：

計算挖礦難度代碼：
（實際比特幣代碼中使用的是計算目標預值公式）（圖片來源于肖臻老師視頻截圖）：

三、BTC-挖礦

驗證其合法性三方面：

• 區(qū)塊內每個交易都要合法
• 每兩周調整挖礦難度
• 檢查區(qū)塊是在延伸最長合法鏈

輕節(jié)點無法檢測鏈上區(qū)塊都是合法的。
輕節(jié)點假設礦工都是有理智的，不會沿著不合法的鏈挖下去。

挖礦過程（缺省情況下）：
1、沿著最長合法鏈挖下去
2、選擇最先監(jiān)聽的分叉

在挖礦過程中，如果監(jiān)聽到其他節(jié)點發(fā)布了一個區(qū)塊，這個區(qū)塊是合法的，也是在延伸最長合法鏈，此時應該停止已有的挖礦，在本地重新組裝一個候選區(qū)塊，然后重新進行挖礦。
原因：沿著新發(fā)布區(qū)塊往下挖，本地所組裝的區(qū)塊中所包含的交易就會發(fā)生變化，有些區(qū)塊可能已經被包含在新發(fā)布區(qū)塊中，塊頭也會發(fā)生變化。

挖礦的性質是無記憶性，無論是停止挖礦重新組裝后重新挖礦還是繼續(xù)挖礦，只要還未找到符合的nonce值，成功的概率都是一樣的，對最后的結果沒有影響。

比特幣是如何保證安全性的？
從兩方面保證，一是密碼學上的保證，另一方面是共識機制。
密碼學上的保證是別人沒有自己的私鑰就沒有辦法偽造自己的簽名，前提是系統中擁有的大多數礦工是好的，是遵守協議的，不會接受沒有合法簽名的協議。

挖礦的演化趨勢：
1、挖礦設備趨于專業(yè)化，從通用變成越來越專用
（1）CPU、通用計算機：性價比太低
（2）GPU：用于通用并行計算
（3）ASIC芯片

ASIC：專門為挖礦設計的芯片，沒有多余的電路邏輯，就是為了計算哈希值，比特幣挖礦而設計。（性價比最高，ASIC芯片研發(fā)周期很長）
為某一種加密貨幣設計的芯片只能挖那一種加密貨幣，不能挖其他的，除非都是使用同一種mining puzzle，可以吸引更多人挖礦（merge mining）。
設計alternative puzzle的出發(fā)點：抗ASIC芯片化resistance，目的是為了讓通用的計算機也能參與挖礦。

2、挖礦的另一個趨勢是大型礦池的出現。單個礦工的收入是不穩(wěn)定的。單個礦工還要承擔全節(jié)點的其他責任。

礦池是把礦工組織起來作為一個整體。礦池的架構是一個全節(jié)點會驅動很多礦主pool manager ，礦機礦主下連著很多礦工，礦工只負責計算哈希值，全節(jié)點的其他職責都由pool manager承擔，把交易組織打包成候選區(qū)塊，監(jiān)聽其他節(jié)點有沒有發(fā)布新區(qū)塊。
礦池出現的另一個目的：解決收入不穩(wěn)定。

挖礦收益該如何分配？
一般來說，礦池有兩種組織形式。一種是像大型數據中心那樣，另一種是分布式，礦工和礦主不在一個地方，礦工要加入礦池就是按照礦池規(guī)定的通訊協議與礦主進行聯系，礦主把要計算哈希值的任務分配給礦工，礦工計算完后把結果返回給礦主，有出塊獎勵時一起參與分紅。

如果礦工是來自世界各地，收益該如何分配？
按照礦工貢獻大小分配，工作量證明。
降低挖礦難度后挖到的叫做share（almost valid block）。礦工挖到share后提交給
礦主，礦主記錄礦工提交的share數目，可以用這個證明礦工的工作量，等挖到新
的區(qū)塊后，用share數目分配收益。

每個礦工挖到的概率取決于挖到的nonce數，和share成正比。
如果礦工挖到后不提交給礦主發(fā)不出去，收款地址是礦主的地址，礦工無法取出
收益，是無用的。只要礦工按照礦主分配的任務分區(qū)塊獎勵，就不可能能偷出塊
獎勵。
如果礦工搗亂，不提交真正挖到的結果，這樣對礦工沒有經濟上的好處。

礦池在各個國家的分布比例:

礦池的算力的分布比例(2014年6月12日):

礦工轉換礦池很容易。
大型礦池會使得51%的攻擊更加容易。

占據51%以上算力的礦池可以發(fā)布的攻擊：（不是只要達到51%預值就可以發(fā)動攻擊。）
1、分叉攻擊。

2、封鎖禁令boycott：把封鎖的賬戶的有關系的交易都不讓上鏈，當其他節(jié)點把這個交易發(fā)布到區(qū)塊上，會立刻分叉，讓這個交易所在的鏈不能成為最長合法鏈。（和回滾的區(qū)別：不用等多個區(qū)塊被確認 ）
3、盜幣（不可能實現的，沒有其他賬戶的私鑰）

強行把不合法的交易打包到區(qū)塊，會造成分叉。文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-801438.html

到了這里，關于《區(qū)塊鏈技術與應用》北大肖臻老師——課程筆記【6-8】的文章就介紹完了。如果您還想了解更多內容，請在右上角搜索TOY模板網以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關文章，希望大家以后多多支持TOY模板網！