摘要：側(cè)鏈側(cè)鏈協(xié)議允許資產(chǎn)在比特幣區(qū)塊鏈和其他區(qū)塊鏈之間互轉(zhuǎn)。實(shí)現(xiàn)了比特幣區(qū)塊鏈的擴(kuò)展證明在比特幣系統(tǒng)中驗(yàn)證交易時(shí)，涉及交易合法性檢查雙重花費(fèi)檢查腳本檢查等。

比特幣是基于區(qū)塊鏈技術(shù)的一種數(shù)字貨幣實(shí)現(xiàn)，比特幣網(wǎng)絡(luò)是歷史上首個(gè)經(jīng)過(guò)大規(guī)模、長(zhǎng)時(shí)間檢查的數(shù)字貨幣系統(tǒng)

比特幣網(wǎng)絡(luò)在功能上具有如下特點(diǎn)：

去中心化： 意味著沒(méi)有任何獨(dú)立個(gè)體可以對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的交易進(jìn)行破壞，任何交易請(qǐng)求都需要大多數(shù)參與者的共識(shí)。

匿名性： 比特幣網(wǎng)絡(luò)中賬戶(hù)地址是匿名的，無(wú)法從交易信息關(guān)聯(lián)到具體的個(gè)體，但這也意味著很難進(jìn)行審計(jì)

通脹預(yù)防： 比特幣的發(fā)行需要通過(guò)挖礦計(jì)算來(lái)進(jìn)行，發(fā)行量每四年減半，總量上限為2100萬(wàn)枚，無(wú)法被超發(fā)。

比特幣網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)分布式的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中的礦工通過(guò)“挖礦”來(lái)完成對(duì)交易記錄的記賬過(guò)程，維護(hù)網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行。

區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)提供一個(gè)公共可見(jiàn)的記賬本，該記賬本并非記錄每個(gè)賬戶(hù)的余額，而是用來(lái)記錄發(fā)生過(guò)得交易的歷史信息。該設(shè)計(jì)可以避免重放攻擊，即某個(gè)合法交易被多次重新發(fā)送造成攻擊。

基本交易過(guò)程： 每次發(fā)生交易，用戶(hù)需要將新交易記錄寫(xiě)到比特幣區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中，等網(wǎng)絡(luò)確認(rèn)后即可認(rèn)為交易完成。每個(gè)交易包括一些輸入和一些輸出，未經(jīng)使用的交易的輸出（Unspent Transaction Outputs,UTXO）可以被新的交易引用作為合法的輸入，被使用過(guò)的交易的輸出（Spent Transaction Outputs,STO）則無(wú)法被引用作為合法輸入。一筆合法的交易，即引用某些已存在交易的UTXO作為交易的輸入，并生成新的輸出的過(guò)程

在交易過(guò)程中，轉(zhuǎn)賬方需要通過(guò)簽名腳本來(lái)證明自己是UTXO的合法使用者，并且指定輸出腳本來(lái)限制未來(lái)本交易的使用者（收款方）

注意： 剛放進(jìn)網(wǎng)絡(luò)中的交易（深度為0）并非是實(shí)時(shí)得到確認(rèn)的。進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)中的交易存在著被推翻的可能性，一般要再生成幾個(gè)新的區(qū)塊（深度大于0）才認(rèn)為該交易被確認(rèn)。

賬戶(hù)/地址
比特幣采用了非對(duì)稱(chēng)的加密算法，用戶(hù)自己保留私鑰，對(duì)自己發(fā)出的交易進(jìn)行簽名確認(rèn)，并公開(kāi)私鑰。
比特幣的賬戶(hù)地址其實(shí)就是用戶(hù)公鑰經(jīng)過(guò)一系列Hash及編碼運(yùn)算后生成的160位（20字節(jié)）的字符串。

交易
交易是完成比特幣功能的核心概念

交易腳本
腳本是保障交易完成（主要用于檢驗(yàn)交易是否合法）的核心機(jī)制，當(dāng)所依附的交易發(fā)生時(shí)被觸發(fā)。通過(guò)腳本機(jī)制而非寫(xiě)死交易過(guò)程，比特幣網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了一定的可擴(kuò)展性。比特幣腳本語(yǔ)言是一種非圖靈完備的語(yǔ)言，類(lèi)似Forth語(yǔ)言。

一般每個(gè)交易都會(huì)包括：

輸出腳本： 一般由付款方對(duì)交易設(shè)置鎖定，用來(lái)對(duì)能動(dòng)用這筆交易輸出（例如，要花費(fèi)交易的輸出）的對(duì)象（收款方）進(jìn)行權(quán)限控制，例如限制必須是某個(gè)公鑰的擁有者才能花費(fèi)這筆交易。

認(rèn)領(lǐng)腳本： 用來(lái)證明自己可以滿(mǎn)足交易輸出腳本的鎖定條件，即對(duì)某個(gè)交易的輸出（比特幣）的擁有權(quán)。

區(qū)塊
比特幣區(qū)塊由區(qū)塊頭和區(qū)塊體組成，要對(duì)區(qū)塊鏈的完整性進(jìn)行檢查，只需要檢查各個(gè)區(qū)塊頭信息即可，無(wú)需獲取具體的交易內(nèi)容，這也是簡(jiǎn)單交易驗(yàn)證的基本原理。

比特幣在設(shè)計(jì)上的創(chuàng)新點(diǎn)主要體現(xiàn)在避免作惡、負(fù)反饋調(diào)節(jié)和共識(shí)機(jī)制三個(gè)方面。

避免作惡
避免作惡基于經(jīng)濟(jì)博弈原理。通過(guò)經(jīng)濟(jì)博弈來(lái)讓合作者得到利益，讓非合作者遭受損失和風(fēng)險(xiǎn)。

負(fù)反饋調(diào)節(jié)
比特幣網(wǎng)絡(luò)中礦工越多，系統(tǒng)就越穩(wěn)定，比特幣價(jià)值就越高，但挖到礦的概率會(huì)降低。反之，網(wǎng)絡(luò)中礦工減少，會(huì)讓系統(tǒng)更容易被攻擊，比特幣價(jià)值降低，但挖到礦的概率會(huì)提高。

共識(shí)機(jī)制
傳統(tǒng)共識(shí)問(wèn)題往往是考慮在一個(gè)相對(duì)封閉的分布式系統(tǒng)中，允許同時(shí)存在正常節(jié)點(diǎn)、故障節(jié)點(diǎn)如何快速達(dá)成一致

比特幣提出了基于Proof of Work（Pow）的共識(shí)機(jī)制：基于概率、隨時(shí)間逐步增強(qiáng)確認(rèn)的共識(shí)?，F(xiàn)有達(dá)成的結(jié)果在理論上可能被推翻，只是攻擊者要付出的代價(jià)隨時(shí)間而指數(shù)級(jí)上升，被推翻的可能性隨之指數(shù)級(jí)下降。
可用性的提升：考慮到Internet的尺度，達(dá)成共識(shí)的時(shí)間相對(duì)比較長(zhǎng)，因此按照區(qū)塊（一組交易）來(lái)進(jìn)行階段性的確認(rèn)（快照），從而提高網(wǎng)絡(luò)整體的可用性。
減少提案的個(gè)數(shù)：限制網(wǎng)絡(luò)中共識(shí)的噪聲，通過(guò)大量的Hash計(jì)算和少數(shù)的合法結(jié)果來(lái)限制合法提案的個(gè)數(shù)，進(jìn)一步提高網(wǎng)絡(luò)中共識(shí)的穩(wěn)定性。

挖礦是參與維護(hù)比特幣網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)，通過(guò)協(xié)助生成新區(qū)塊來(lái)獲取一定量新增比特幣的過(guò)程。

具體過(guò)程： 參與者綜合上一個(gè)區(qū)塊的Hash值，上一個(gè)區(qū)塊生成之后的新的驗(yàn)證過(guò)得交易內(nèi)容，再加上自己猜測(cè)的一個(gè)隨機(jī)數(shù)X，一起打包到一個(gè)候選新區(qū)塊，讓新區(qū)塊的Hash值小于比特幣網(wǎng)絡(luò)中給定的一個(gè)數(shù)。

系統(tǒng)每隔兩周會(huì)根據(jù)上一周期的挖礦時(shí)間來(lái)調(diào)整挖礦難度（通過(guò)調(diào)整限制數(shù)的大?。{(diào)節(jié)生成區(qū)塊的時(shí)間穩(wěn)定在10分鐘左右。為了避免震蕩，每次調(diào)整的最大幅度為4倍。

礦工個(gè)體達(dá)到全網(wǎng)1/3的算力，比特幣網(wǎng)絡(luò)就存在被破壞的風(fēng)險(xiǎn)了；達(dá)到1/2的算力，從概率上就掌控了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)了。但是要實(shí)現(xiàn)這么大的算力，將需要付出巨大的經(jīng)濟(jì)成本。除了盡量避免將算力放到同一個(gè)組織手里，沒(méi)太好的辦法，這是目前Pow機(jī)制自身造成的。

比特幣區(qū)塊鏈采用 PoW 的機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)共識(shí)，對(duì)PoW試圖改進(jìn)衍生了PoS和DPoS, 原理仍然為通過(guò)經(jīng)濟(jì)懲罰來(lái)限制惡意參與。

工作量證明（Pow）通過(guò)計(jì)算來(lái)猜測(cè)一個(gè)數(shù)值（nonce），使得拼湊上交易數(shù)據(jù)后內(nèi)容的Hash值滿(mǎn)足規(guī)定的上線。由于Hash難題在目前計(jì)算模型下需要大量的計(jì)算，這就保證在一段時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)中只能出現(xiàn)少數(shù)合法提案。反過(guò)來(lái)，能夠提出合提案也證明提案者確實(shí)付出了一定的工作量。

權(quán)益證明：類(lèi)似于現(xiàn)實(shí)生活中的股東機(jī)制，擁有股份越多的人越容易獲取記賬權(quán)（同時(shí)更傾向于維護(hù)網(wǎng)絡(luò)的正常工作）

典型過(guò)程：通過(guò)保證金（代幣、資產(chǎn)、名聲等具備價(jià)值屬性的物品即可）來(lái)對(duì)賭一個(gè)合法的塊成為新的區(qū)塊，收益為抵押資本的利息和交易服務(wù)費(fèi)。提供證明的保證金（例如通過(guò)轉(zhuǎn)賬貨幣記錄）越多，則獲得記賬權(quán)的概率就越大。合法記賬者可以獲得收益。

PoS試圖解決在PoW中大量資源被浪費(fèi)的缺點(diǎn)，受到了廣泛的關(guān)注。惡意參與者將存在保證金被罰沒(méi)的風(fēng)險(xiǎn)，即損失經(jīng)濟(jì)利益。

一般情況下，對(duì)于PoS來(lái)說(shuō)，需要掌握超過(guò)全網(wǎng)1/3的資源，才有可能左右最終的結(jié)果。

比特幣的一大缺點(diǎn)為交易性能：全網(wǎng)每秒7筆左右的交易速度，遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)金融交易系統(tǒng)；同時(shí)，等待6個(gè)區(qū)塊的可信確認(rèn)將導(dǎo)致約一個(gè)小時(shí)的最終確認(rèn)時(shí)間。為了提升性能，提出了閃電網(wǎng)絡(luò)等創(chuàng)新設(shè)計(jì)

閃電網(wǎng)絡(luò)： 將大量交易放到比特幣區(qū)塊鏈之外進(jìn)行，只把關(guān)鍵環(huán)節(jié)放到 鏈上進(jìn)行確認(rèn)。

閃電網(wǎng)絡(luò)主要通過(guò)引入智能合約的思想來(lái)完善鏈下的交易渠道。核心的思想主要有兩個(gè)：

RSMC： 解決鏈下交易的確認(rèn)問(wèn)題

HTLC： 解決支付通道的問(wèn)題

RSMC 即 “可撤銷(xiāo)的順序成熟度合同”。主要原理類(lèi)似于資金池機(jī)制。

基本過(guò)程： 首先假定雙方之間存在一個(gè)“微支付通道”（資金池）。交易雙方先預(yù)存一部分資金到“微支付通道”里，初始情況下雙方的分配方案等于預(yù)存的金額。每次發(fā)生交易，需要對(duì)交易后產(chǎn)生資金的分配結(jié)果共同進(jìn)行確認(rèn)，同時(shí)簽字把舊版本的分配方案作廢掉。任何一方需要提現(xiàn)時(shí)，可以將他手里雙方簽署過(guò)得交易結(jié)果寫(xiě)到區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中，從而被確認(rèn)。

優(yōu)點(diǎn)： RSMC整個(gè)過(guò)程只有提現(xiàn)時(shí)才需要通過(guò)區(qū)塊鏈，可以實(shí)現(xiàn)大量中間交易發(fā)生在鏈外。

微支付通道是通過(guò)HTLC來(lái)實(shí)現(xiàn)的，中文意思是“哈希的帶時(shí)鐘的合約”。這其實(shí)就是限時(shí)轉(zhuǎn)賬

基本過(guò)程：通過(guò)智能合約，雙方約定轉(zhuǎn)賬方先凍結(jié)一筆錢(qián)，并提供一個(gè)哈希值，如果在一定時(shí)間內(nèi)有人能提出以個(gè)字符串，使得它的哈希后的值與已知值匹配（實(shí)際上意味著轉(zhuǎn)賬方授權(quán)了接收方來(lái)提現(xiàn)），則這筆錢(qián)轉(zhuǎn)給接收方

RSMC 保障了兩個(gè)人之間的直接交易可以在鏈下完成，HTLC保障了任意兩個(gè)人之間轉(zhuǎn)賬都可以通過(guò)一條“支付”通道來(lái)完成。閃電網(wǎng)絡(luò)整合者兩種機(jī)制，就可以實(shí)現(xiàn)任意兩個(gè)人之間的交易都在鏈下完成。
在整個(gè)交易中，智能合約起到了中介的重要角色，而區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)則確保最終的交易結(jié)果被確認(rèn)。

側(cè)鏈協(xié)議：允許資產(chǎn)在比特幣區(qū)塊鏈和其他區(qū)塊鏈之間互轉(zhuǎn)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，以比特幣區(qū)塊鏈作為主鏈，其他區(qū)塊鏈作為側(cè)鏈，二者通過(guò)雙向掛鉤，實(shí)現(xiàn)比特幣從主鏈轉(zhuǎn)移到側(cè)鏈進(jìn)行流通。（實(shí)現(xiàn)了比特幣區(qū)塊鏈的擴(kuò)展）

在比特幣系統(tǒng)中驗(yàn)證交易時(shí)，涉及交易合法性檢查、雙重花費(fèi)檢查、腳本檢查等。由于驗(yàn)證過(guò)程需要完整的UTXO記錄，通常要由運(yùn)行著完整功能幾點(diǎn)的礦工來(lái)完成。而很多時(shí)候用戶(hù)只關(guān)心與自己相關(guān)的那些交易，只希望能夠知道交易是否合法、是否已在區(qū)塊鏈中存在了足夠的時(shí)間（即獲得足夠的去人），而不需要自己成為完整節(jié)點(diǎn)做出完整性驗(yàn)證。

簡(jiǎn)單支付驗(yàn)證（Simplified Payment Verfication, SPV）: 能夠以較小的代價(jià)判斷某個(gè)支付交易是否已經(jīng)被驗(yàn)證過(guò)（存在于區(qū)塊鏈中），以及得到了多少算力保護(hù)。SPV 客戶(hù)端只需要下載所有區(qū)塊的去塊頭，進(jìn)行簡(jiǎn)單的定位和計(jì)算工作，就可以驗(yàn)證結(jié)論。

側(cè)鏈協(xié)議中，用SPV來(lái)證明一個(gè)動(dòng)作卻是已經(jīng)在區(qū)塊鏈中發(fā)生過(guò)，稱(chēng)為SPV證明。SPV證明包括兩部分內(nèi)容：

一組區(qū)塊頭的列表，表示工作量證明

一個(gè)特定輸出確實(shí)存在于某個(gè)區(qū)塊中的密碼學(xué)證明

側(cè)鏈協(xié)議的設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于如何讓資產(chǎn)在主鏈和側(cè)鏈之間安全流轉(zhuǎn)。

具體來(lái)說(shuō)，協(xié)議采用雙向掛鉤機(jī)制實(shí)現(xiàn)比特幣向側(cè)鏈的轉(zhuǎn)移和返回。主鏈和側(cè)鏈需要對(duì)對(duì)方的特定交易做SPV驗(yàn)證。過(guò)程如下：

比特幣的設(shè)計(jì)目標(biāo)在于支持一套安全、開(kāi)放、分布式的數(shù)字貨幣系統(tǒng)。圍繞著一目標(biāo)，比特幣協(xié)議的設(shè)計(jì)中很多地方都體現(xiàn)了權(quán)衡的思想：

區(qū)塊容量： 大容量可帶來(lái)更高的交易吞吐率，但會(huì)增加挖礦成本，帶來(lái)中心化的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)增大存儲(chǔ)的代價(jià)。權(quán)衡設(shè)計(jì)當(dāng)前的區(qū)塊容量上限設(shè)定為1MB。

出塊間隔時(shí)間： 更短的出塊間隔時(shí)間可以縮短交易確認(rèn)時(shí)間，但也可能導(dǎo)致分叉增多，降低網(wǎng)絡(luò)可用性。

腳本支持程度： 更強(qiáng)大的腳本指令集可以帶來(lái)更多的靈活性，但也會(huì)引入更多的安全風(fēng)險(xiǎn)

當(dāng)需要修復(fù)漏洞、擴(kuò)展功能或調(diào)整結(jié)構(gòu)時(shí)，比特幣需要在全網(wǎng)的配合下進(jìn)行升級(jí)。升級(jí)通常涉及更改交易的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)或區(qū)塊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

分布在全球的節(jié)點(diǎn)不可能同時(shí)完成升級(jí)來(lái)遵循新的協(xié)議，因此升級(jí)時(shí)可能出現(xiàn)分叉。把網(wǎng)絡(luò)中升級(jí)的幾點(diǎn)稱(chēng)為新幾點(diǎn)，未升級(jí)的節(jié)點(diǎn)稱(chēng)為舊節(jié)點(diǎn)，根據(jù)新舊節(jié)點(diǎn)相互兼容性上的區(qū)別，可分為軟分叉和硬分叉：

軟分叉： 如果舊節(jié)點(diǎn)仍然能夠驗(yàn)證接受新節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的交易和區(qū)塊，則稱(chēng)為軟分叉。

硬分叉： 如果舊節(jié)點(diǎn)不能接受新節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的交易和區(qū)塊，則稱(chēng)為硬分叉。

硬分叉升級(jí)區(qū)塊鏈協(xié)議的難度大于軟分叉，但軟分叉能做的事情有限，大的改動(dòng)只能通過(guò)硬分叉來(lái)完成。

交易延展性：是比特幣的一個(gè)設(shè)計(jì)缺陷，是指當(dāng)交易發(fā)起者對(duì)交易簽名之后，交易ID仍然可能被改變。

延展性攻擊會(huì)帶來(lái)一些問(wèn)題：

在原始交易未被確認(rèn)之前廣播ID改變的交易可能誤導(dǎo)相關(guān)方對(duì)交易狀態(tài)的判斷，甚至發(fā)動(dòng)拒絕服務(wù)攻擊

多重簽名場(chǎng)景下：一個(gè)簽名者有能力改變交易ID，會(huì)給其他簽名者的資產(chǎn)帶來(lái)潛在風(fēng)險(xiǎn)

阻礙閃電網(wǎng)絡(luò)等比特幣擴(kuò)展方案的實(shí)施

比特幣區(qū)塊容量現(xiàn)在在1MB以下，交易量已不能滿(mǎn)足交易需求。比特幣的一系列的方案提出：鏈上擴(kuò)容提議、用側(cè)鏈或閃電網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展比特幣等

擴(kuò)容之爭(zhēng)主要有兩派提出的方案：

核心開(kāi)發(fā)者的 Bitcoin Core 團(tuán)隊(duì)主推的隔離見(jiàn)證方案（SegWit）： 將交易中的簽名部分從交易的輸入中隔離出來(lái)，放到交易末尾的被稱(chēng)為見(jiàn)證的字段當(dāng)中。同時(shí)，將區(qū)塊容量上限理論上提高到4MB

Bitcoin Unlimited 團(tuán)隊(duì)推出的方案（BU）： 擴(kuò)展比特幣客戶(hù)端，使礦工可以自由配置他們想要生成和驗(yàn)證的區(qū)塊容量

比特幣的匿名特性，使得其交易的監(jiān)管變得十分困難。
不過(guò)通過(guò)分析大量公開(kāi)可得的交易記錄，有很大概率可以追蹤到比特幣的實(shí)際轉(zhuǎn)移路線，甚至可以追蹤到真實(shí)用戶(hù)

比特幣客戶(hù)端用于和比特幣網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行交互，同時(shí)也可以參與網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)。
客戶(hù)端分為三種：

完整客戶(hù)端： 存儲(chǔ)所有的交易歷史記錄，功能完備

輕量級(jí)客戶(hù)端： 不保存交易副本，交易需要向別人查詢(xún)

在線客戶(hù)端： 通過(guò)網(wǎng)頁(yè)模式來(lái)瀏覽第三方服務(wù)器提供的服務(wù)

比特幣錢(qián)包可以存儲(chǔ)和保護(hù)用戶(hù)的私鑰,并提供查詢(xún)比特幣余額、收發(fā)比特幣等功能。
根據(jù)私鑰存儲(chǔ)方式不同，錢(qián)包分為以下幾種：

離線錢(qián)包： 離線存儲(chǔ)私鑰，也稱(chēng)為“冷錢(qián)包”，安全性相對(duì)較強(qiáng)，但無(wú)法直接發(fā)送交易，便利性差

本地錢(qián)包： 用本地設(shè)備存儲(chǔ)私鑰，可直接向比特幣網(wǎng)絡(luò)發(fā)送交易，易用性強(qiáng)，但本地設(shè)備存在被攻擊風(fēng)險(xiǎn)

在線錢(qián)包：用錢(qián)包服務(wù)器存儲(chǔ)經(jīng)用戶(hù)口令加密過(guò)得私鑰，易用性強(qiáng)，但錢(qián)包服務(wù)器同樣可能被攻擊

多重簽名錢(qián)包：由多方共同管理一個(gè)錢(qián)包地址，比如2 of 3 模式下，集合三位管理者中兩位的私鑰便可以發(fā)送交易

比特幣礦機(jī)是專(zhuān)門(mén)為“挖礦”設(shè)計(jì)的硬件設(shè)備，目前主要包括基于GPU和ASIC芯片的專(zhuān)用礦機(jī)。