区块链学习笔记 | 比特币共识机制（上）

本文内容：

1、如何在不考虑去中心化的情况下发行数字货币？

2.双花问题

3.去中心化数字货币解决方案

4.去中心化下如何防止双花？

1、如何在不考虑去中心化的情况下发行数字货币？

首先，不考虑去中心化问题，假设存在一个大家都信任的中心化机构，比如中央银行。 如果我们都知道央行的公钥，让其发行数字货币，央行该怎么办？

说到央行，可能大家马上就会想到纸币。 数字货币的发行能否类似于纸币？ 像这样：

货币是由央行私钥签名的，而它的公钥是我们所有人都知道的，所以我们在和别人交易的时候，可以验证自己收到的货币是不是央行发行的，这样交易才算安全顺利完成。

这个好像是电子版的纸币。 仔细想想，这有什么问题吗？

如果你觉得没有问题比特币不存在双花问题对吗，那也好，至少说明你是善良的，但不法分子不会这么想。

2.双花问题

大家都知道，现在要伪造纸币是非常非常难的，因为纸币的防伪措施几乎是无懈可击的，但是数字货币又不同于纸币。 毕竟，它只是一个文档比特币不存在双花问题对吗，可以复制。 意思是我有一个100元的数字货币。 虽然上面有央行私钥的签名，但可以证明它不是假的，100元没办法换成200元，但我可以抄成几份完成差价。 交易。 这种问题就是双花攻击（double spending attack）

数字货币面临的主要挑战之一是如何防止双重支出攻击。

上面的方案可以改进吗？

数字货币仍由中央银行发行，只是在每一种货币上加了一个序列号，以保证货币的唯一性。 为此，中央银行需要维护一个数据库，记录每个数字货币的所有者，即每个数字的所有者。

那么在这种情况下，想要完成一笔交易，需要注意哪些问题呢？

(1) 需要验证数字货币是否有央行签名。

(2)向央行核实收到的货币之前是否被消费过，即017货币是否在他人手中，防止货币被同一人重复使用。

这样就避免了双花问题。

这样的解决方案是正确的，在实践中当然是可行的。 这是一种不考虑去中心化数字货币的解决方案。

每个人在进行交易后都需要向中央银行进行验证，而中央银行的数据库需要对每个货币的来源和目的地进行修改。 可想而知央行这样做有多累。

3.去中心化数字货币解决方案

那么能否摆脱中央银行的中心化机构，取而代之的是大量的用户呢？ 这就是比特币数字货币系统所做的。

一个去中心化的货币体系需要解决两个问题：

(1) 谁有权发行数字货币？ 因为没有中央机构，怎么决定什么时候发行货币，一次发行多少？

(2) 如何验证交易的有效性，如何防止双花？

对于第一个问题，谁来发行货币，这是由比特币系统中的挖矿决定的，后面的文章讲挖矿的时候会详细讲到。

本文先说第二个问题，如何防止双花攻击？

4.去中心化下如何防止双花？

这个问题的解决办法其实和上面说的央行的解决办法差不多。 还需要维护一个数据结构来检测一个币是否被消费过，被谁消费过，但是这个数据结构不是由某个中央机构维护的，而是由所有用户共同维护的。

这个数据结构就是区块链。

上图是区块链的简化版，哈希指针有两种，一种是连接区块与区块的指针（图中浅蓝色箭头）； 第二个是指向上一笔交易，一个指示币源的指针（图中红色弯箭头）

铸币交易：生成10个比特币给A，写入区块链。

随后，A分别给了B和C 5个比特币； 然后B给了C 2个比特币和D 3个比特币。 这时候B的比特币已经花光了，最后，C把他所有的财产全部7个比特币给了E。需要注意的是，此时C的比特币有两个来源，2个是B给的（数字1） , 和 5 由 A（数字 2）给出。

比特币系统中的每一笔交易都包括输入和输出两部分。 输入部分应说明硬币的来源，输出部分应给出收款人公钥的哈希值。

想想为什么需要说明货币的来源？ 如果交易使用纸币，收款人不需要知道纸币的来源，因为纸币无法复制。 但在比特币中，必须要知道币种的来源，才能保证不是凭空捏造的，而且是有记录的，这样才能防止双花攻击。

以上图的简化版区块链为例：B给了C 2个比特币，给了D 3个比特币，他却丢了。 如果他还想在区块链之后增加一笔交易，那么给F 5个比特币显然是不合法的，因为其他节点只需要按照hash指针，也就是图中的红色箭头，去查看比特币的去向就可以了。 B的手上，他们就会知道B已经没有比特币了。 B 给 F 5 个比特币的非法交易不会被添加到区块链中。

接下来我们仔细分析一下A给B 5个比特币的转账交易。

这笔交易需要哪些信息？

当然需要A的签名来确认是A转出的比特币； 同样，A也需要B的地址，相当于B的银行账户，来判断A把钱转给谁。

那么，B需要知道A的哪些信息呢？ 好像没有必要，也不是B给A转钱，B好像也不需要知道A的信息。 但事实并非如此。

其实B需要知道A的公钥才能确定A的身份，就像有一天，有人转了5个比特币给你，你当然要知道是谁转给你的。 实际上，不仅B需要知道A的公钥，所有节点都需要知道A的公钥，这样才能通过A的公钥来验证A的签名，即验证图中的“signed by A”。 为了验证交易是否合法，毕竟没有银行这样的中心化机构，交易需要所有用户共同监督。

那么问题来了，怎么知道A的公钥呢？

如前所述，一笔交易包括输入和输出。 实际上，从A到B的交易输入，不仅包括币种来源，还包括转让方A的公钥，A自己对此进行了说明。

那么问题又来了：我们知道A的公钥是用来验证身份的，既然是用来验证身份的，那么A的身份就有可能被冒充。 存在这种问题，如何避免呢？

事实上，铸币交易的输出中包含了A的公钥，因此A向B转账交易中A的公钥必须与铸币交易输出中A的公钥相同。 这避免了模仿。

上面这段话可能有点绕，请仔细多看几遍图片加深理解。

这些验证过程实际上是通过执行脚本程序（BitCoin Script）来完成的，后面会具体讲到。