区块链学习笔记之区块链初探：比特币交易结构及过程
由于比特币是区块链的第一个有效应用。所以学习区块链一定先从比特币入手。
比特币区块链，顾名思义就是由不同区块按照先后顺序链接起来的链条。
我们先来看一下比特币的区块数据结构。
比特币区块的数据结构
1.魔数，0xF9BEB4D9，是一个固定常数，用来分隔区块
2.区块大小：整个区块的大小
3.版本号：软件版本
4.父区块头哈希值：区块的这个位置总是指向前一区块的区块头哈希值，区块就是通过这种方式链接起来的
5. Merkle根哈希：本区块的交易的merkle根
6.时间戳：Unix时间戳
7.难度目标值=最大难度值/难度值
最大目标值是一个定值：0x00000000FFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFF
难度值：系统每隔两周（即经过2016 个区块）会根据上一周期的挖矿时间来调整挖矿难度（通过调整限制数的大小），来调节生成区块的时间稳定在10分钟左右。为了避免震荡，每次调整的最大幅度为4倍。
8. 随机数Nounce：挖矿时矿工计算，满足SHA256(SHA256(version + prev_hash + merkle_root + ntime + nbits + x ))
区块体数据结构
区块体首先是交易数量，表示本区块有多少笔交易。
交易中存放的是货币所有权的流转信息，所有权登记在比特币地址上(Public Key)。这些信息是全网公开的，以明文形式存储（比特币系统里的所有数据都是明文的），只有当需要转移货币所有权时，才需要用私钥签名来验证。
lock_time是一个多意字段，表示在某个高度的Block之前或某个时间点之前该交易处于锁定态，无法收录进Block。
若该笔交易的所有输入交易的sequence字段，均为INT32最大值(0xffffffff)，则忽略lock_time字段。否则，该交易在未达到Block高度或达到某个时刻之前，是不会被收录进Block中的。
一笔交易由1或多笔输入，1或2笔输出组成。输出分为支付和找零。如果没有找零那么只有一笔输出支付。矿工费=所有输入-（支付+找零），如果在交易的时候没有写找零，那么意味着除去支付部分全部是矿工费。当然，目前这些全部由钱包操作，不必担心不填写找零的问题。钱包会给我们默认一个矿工费或者让我们填写矿工费。
交易分三种：挖矿（Generation TX）、合成地址交易（Script Hash TX）、普通交易（Pubkey Hash TX）
Generation TX
这种交易的输入就是含有coinbase字段的交易。因为是挖矿所得，所以这种交易类型没有输入，输入的地方只有coinbase，coinbase可以由矿工填写自己想填写的信息，是挖出块的矿工的特权。著名的创世区块的coinbase就是中本聪填写的2009年2月3日泰晤士报的头版新闻标题。
输出数量就是矿工所得，地址是矿工的地址。
Script Hash TX
这种类型的交易比较少见，但是很有意义。该类交易的地址不是常用比特币地址，而是一个合成地址。这个合成地址以3开头。该地址可以由1-3个公钥合成计算得到。在花费该地址的币的时候同样需要对应的1-3个私钥签名。
Script Hash TX
这就是普通交易类型。由多笔交易输入，1-2笔交易输出（支付+找零）构成。
普通交易结构为：
普通交易输入为：
普通交易输出为：
备注：1葱=1亿分之1比特币
私钥，公钥，地址
私钥是一个随机数，一串256位二进制数字。比特币软件采用操作系统底层随机数生成器来产生256个二进制数，生成私钥。私钥由个人保管，一定要保管好，有了私钥才能表示你拥有相应地址的比特币所有权，如果私钥丢失，那么比特币就永久躺在网络上，无法被花费。当然现在我们大家都有钱包，钱包也会在本地给我们保管私钥，但是一旦钱包卸载，那重新下载钱包的以后是需要导入你的私钥的。为了去中心化，钱包不会在服务器里保存我们的私钥。
公钥是由私钥通过椭圆曲线加密算法得到。其过程是不可逆的。也就是说由私钥可以得出公钥。但是有了公钥，无法得出私钥。
比特币地址是一个由数字和字母组成的字符串，由公钥通过一系列加密计算和编码得出。同样公钥得出地址是不可逆的。
在这里，一定会有人问：私钥既然是随机的，位数是固定的，那么有没有可能两个人的私钥是相同的，或者说某个人的私钥被破解了。我在这里说一下，如果私钥的产生是随机的，那么2的256次方是非常庞大的数字，大到比地球上的原子个数还多。所以随机产生2个相同私钥的概率要比在地球上找到2个完全相同的树叶还低得多，这完全可以看做概率是。
创建交易
假如Alice想转10个比特币给Bob。那么她必须在她的客户端（可以是钱包）进行操作。她必须保存好私钥，用私钥完成签名，然后提供签名+公钥。公钥用来对比上一笔转出中的公钥（地址），证明上一笔转出目标是Alice。也就是证明Alice拥有这笔比特币的所有权。但是这还不够，因为公钥是不保密的。所以还需要校验签名。签名是通过私钥签名的，私钥是绝对保密的。所以再完成公钥来校验签名，成功了。就表示这笔比特币属于Alice。
公钥是可以通过私钥加密计算得来的，而地址可以通过公钥采用Base58计算得来。地址只是为了方便使用。毕竟公钥是由私钥经过椭圆曲线算法得到的X和y坐标，每个坐标都是32位，不方便使用。所以公钥再经过Base58check算法得出地址。
所以，准确的说，交易是发起人Alice解之前交易输出(UTXO：Unspent Transaction Outputs未花费的交易输出)，然后支付给Bob，同样是给Bob出题。如果Bob想花这笔钱，他就需要解题（用私钥的签名和公钥来证明这笔BTC所有权是他的）。
假设Alice发送给Bob的10个BTC是这么构成的：其中3个是Tom发送给Alice，8个是Lucy发给Alice，那么Alice需要找零1个（现实中发送需要手续费，可能只找零0.99个，0.01作手续费）。
我们来看看比特币的厉害之处：解决双花（双重支付）问题。何为双重支付？顾名思义就是一笔钱花了两次。
两笔未花费交易输出UTXO1和UXTO2通过一次交易变成了UTXO3和UTXO4，UTXO1和UTXO2只要被用一次，就不存在“未花费”了。以后就不会再被引用。
所以，某个人拥有N个比特币，其实是这个人的比特币地址存在UXTO的求和。这个求和通常是由钱包来帮我们完成了。其实比特币不是我们想象中的币，而是一个一个的UTXO。这个设计很精妙，大家可以自行体会一下。
创建一笔交易，就是对“原始交易”进行打包，然后对原始交易进行签名。
交易的发送
交易的发送，首先是节点连接上P2P网络。然后通过比特币协议，将数据广播到网络中。
在比特币网络上传输的每个有效载荷都需要加上一个包头，其中包含了有效载荷的长度、校验和以及消息类型。
在谈交易被发送、处理、打包到区块之前，先看几个概念。
1.一些节点保有一份完整的、最新的区块链拷贝，这样的节点被称为“全节点”。全节点能够独立自主地校验所有交易，而不需借由任何外部参照。
2.还有一些节点只保留了区块链的一部分，它们通过一种名为“简易支付验证（SPV）”的方式来完成交易验证。这样的节点被称为“SPV节点”，又叫“轻节点”。
3. UTXO池可能会被安置在节点本地内存，或者作为一个包含索引的数据库表安置在永久性存储设备中。
4.交易池是存放没有验证的交易。存储在本地内存。
5.矿工，参与挖矿（贡献算力，计算符合挖矿难度目标的那个Nounce），矿工是节点。但是节点可以不是矿工（不参与挖矿），不参与挖矿的节点可以同步信息和验证信息。
交易被广播到网络中后，被节点接收放入交易池，然后矿工会把这笔交易和其他交易一起计算Merkle根值。交易在交易池中是由优先级的，优先级由UTXO的新旧程度、交易的字节数和交易的数量确定。具体来说，对于每一个输入（inputs）来讲，客户端会先将比特币的数量乘以这些UXTO在块中存在的时间（age，也就是这个UTXO后面有多少区块，区块越多表示年龄越大），然后将所有的乘积加起来除以此次交易的大小（以字节为单位）。
矿工计算Merkle根值，再计算符合难度目标的Nounce，（看之前介绍）。区块头中的数字，Merkle根可以通过修改basecoin的内容改变，时间戳也可以随着计算的时间改变，Nounce随机数是可以改变的，所以通过调整这三个参数确定Nounce。这个过程就叫工作量证明。最后打包区块。
这样一个新的区块就产生了。产生了新的区块后节点全网广播，别的节点验证，然后矿工放弃这些交易的计算。重新开始计算下一个区块Nounce。
如果这个区块后面又产生了N个区块，就称作该区块完成N个确认。完成的确认数越多，这个区块中的交易越安全。
另外补充点内容：
区块的hash值不在本区块中保存；交易的交易hash也就是TXID也不在区块中保存，比特币区块规定只有1M,能省就省了。这些hash都由节点来计算和保存作为一个索引。
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