比特币中有趣的数据结构和特定问题

认识比特币

说到比特币，会有很多形容词和定语，比如“数字加密货币”、“去中心化”、“不可篡改”、“工作量证明”等等。好了，我们还是回归本质吧。

首先，比特币是一个软件系统，就像进销存系统、QQ聊天软件、网络游戏等，它是一个软件，或者更准确的说，它属于网络软件，而我们现在几乎90%都是九的软件都是网络软件，比如淘宝、微信、迅雷、网易云音乐等，这些软件都是互联网应用软件，都是基于TCP/IP协议族开发的。 比特币作为一种互联网应用软件也不例外。 目前，比特币的软件源代码维护在 GitHub 上：Bitcoin Source Code Link。

GitHub是一个开源的代码版本维护平台。 Git 是一个版本控制软件。 GitHub 基于 Git 交换版本历史信息。 可见，比特币源代码的版权并不属于某个公司或组织。 事实上，它是由一个叫中本聪的人或组织发起的。 中本聪的身份至今仍是个谜。 当然，这已经不重要了。 重要的是比特币给我们带来了很多有趣的软件设计。 思路，下面一一介绍。

在比特币软件出现之前，对数字货币的研究和软件实验已经存在了很长时间，甚至出现在20世纪80年代和90年代，比如DigiCash，它曾经是美国一位密码破译者发明的。 某种程度上，后来出现在互联网上的一些代币，比如QQ币，甚至银行支持的网上银行功能，某种程度上都是货币数字化的一种形式，但直到比特币的出现才真正支持. 具有以下特点：

在这里要提醒一下，人们通常所说的比特币，是指通过比特币软件发行的数字货币，所谓发行，从软件的角度来说比特币钱能提出来么，就是一个记录的数字。 当然，由于比特币技术的开源性质和新颖设计，许多人借鉴了它的原理并实现了其他类型的数字货币系统，也称为山寨币。 这些人组成的圈子也叫比特币。 叫币圈，另外一拨人发现，对于比特币来说，支撑这个系统的技术才是真正有意义的，那就是区块链技术，进而认为区块链技术不只是用来生成数字货币，但可以用于在许多其他领域发挥作用，例如公证系统、数字资产交易、智能合约等。 那么，为了让大家对比特币的相关技术有一个更清晰的认识，下面根据关键词进行介绍。

区块链

Blockchain，英文区块链，这是比特币系统用来记录账本数据的格式。 我们知道，新发行的比特币可以通过客户端软件挖矿得到，可以转账，而这些数据是必须要保存的，它存在于哪里呢？ 当然存在于一个文件中，那么保存它涉及到什么格式，就像我们平时记账一样，比如某年某日某月某日赚了多少钱，从哪里来的？ 收入，花了多少钱，花在了哪里，一般都会有一个日记帐来记录。 比特币系统也是如此。 它也要记录这些数据，记住就好了。 为什么叫区块链？ 这样的名字怎么样？ 因为这是一个很形象的标题，请看，blockchain，blockchain，意思是块是连在一起的，也就是说数据主要记录在块中，所谓块是什么意思，是一个打包在一起的一段数据，打包在一起的数据是多长时间？ 在比特币系统中，每隔10分钟左右对数据进行一次打包记录，并为这段打包后的数据生成一个区块数据头，专门记录区块的标识ID（哈希值），哈希树（merkle tree）通过区块中的所有交易数据等计算，每产生一个这样的区块都会指向前一个区块，就像链条一样，将各个区块串联起来。

你可能会疑惑，为什么要做这么复杂的方法，而且看起来很原始。 现在各种数据库存储技术不是很方便吗？ 这里我们先问一组问题：

前面说过，比特币是一个去中心化的系统，也就是说数据并不是统一存储在某个服务器或者服务器集群上，而是每个客户端在本地都有一份完整的数据副本，那么如何让每个客户端之间互相同步数据的时候，如何验证数据的完整性？ 如果存储在普通的数据表中，将很难验证数据的完整性，尤其是随着数据的增加。 比如比特币的完整区块数据现在已经达到了120G，未来还会越来越大。 这么大的数据量，在同步下载的时候，中间很难查到是不是下载错了，或者是乱码。 下载必须重新启动，因此需要对数据进行细粒度的分段。

如果有人故意更改记录的数据怎么办？ 在普通的数据库系统中，如果某个表中的数据发生了变化，系统很难马上发现，但是如何让数据更难发生变化，让数据之间有之前的关系，如果你愿意，你可以改变它。 你必须改变他们。 就像这里说的区块链，每10分钟产生的数据被打包成一个块，块之间是相连的。 如果要更改某个块的数据，则必须从头到尾更改它。 这个成本非常高。 大，而且由于比特币系统不是一个单机软件（单机的数据很容易改变，一个程序执行后就会完全改变），它是由无数个组成的网络比特币客户。 机器的数据必须经过全网节点的认可。 这种将数据打散，然后相互链接的结构称为区块链。 其实也可以叫数据链、信息链、数据区块链等，就是这个意思。 事实上，在区块链中，除了Blocks是相互关联的，每一笔交易的交易也是相互关联的，下面会介绍。

默克尔树

我们知道，在比特币网络中，区块数据必须在各个客户端同步。 所谓同步，其实就是下载。 下载缺失的1000个区块，那么问题就来了，这些数据很多，而且比特币系统并不是统一从一台服务器下载的，它是一个点对点的网络，也叫P2P网络，在这个环境中，将有多个下载数据源。 如何保证下载过程中不会出错？ 也就是说，如果出现问题，不需要全部重新下载，只需要重新下载丢失的，还有一点，如何验证下载的数据是否正确（希望快点verify 而不是一个一个地）块数据去验证），这时候Merkle树就可以发挥作用了。

Merkle树，英文merkle tree，是一种数据结构。 它的基本原理其实很简单。 对于比特币系统中的数据，或者说需要同步的数据，主要是一个区块。 这个merkle tree是为这么多块生成的，具体怎么做呢？ 首先，为每个块计算一个哈希值。 比如一共有10个区块，那么计算10个区块的哈希值，然后计算每两个相邻区块的哈希值。 再次计算该值以获得新的哈希值。 根据该方法，例如，区块1和2的哈希再次生成哈希，区块3和4的哈希再次生成哈希。 5号和6号，7号和8号，9号和10号比特币钱能提出来么，依此类推，直到生成根哈希，形成树结构。

那么，这样做有什么好处呢？ 我们已经看到，为区块数据计算了一个哈希树。 不用说，哈希的用途就是一张身份证。 那么，所谓的merkle tree其实就是identity tree。 证书树，好了，回到我们之前的问题设置。 在进行同步下载的时候，假设block 3的数据有问题，这时候我们在校验的时候会很方便，可以直接定位出是哪个block的问题，因为hash值不一样，而且如果要检查整个区块的数据是否完整正确，直接看最上面树根的哈希值即可，根本不需要检查每条数据。

这就是默克尔树的作用。

未交易输出

这是一个缩写。 全称是unspend transaction output。 它转化为未花费的交易输出。 让我给你举个例子。 比如卖衣服的小店，分批入库10件、20件、30件。 衣服，如果是一般做法，你会怎么记账？ 除了记录这些入库日记账外，你还会设立一个入库地点或账户，比如一共60套，在销售出货的时候，每降一批，就从60中减去相应的金额数量。 这个想法可以说是常识，那么这跟UTXO有什么关系呢？ 好了，在讲解UTXO之前，我们先来看看比特币中的转账交易是如何记录的。 有这样的账号吗？ 事实是：不！ 那么它是如何存储在比特币中的呢？ 5件衣服，不是简单的放到一个汇总账户里，把60减到55，因为此时没有60的账户，那么怎么取出来，这时候需要找之前的入库交易，比如之前入账过10件，就可以用10件在仓库的流量作为货源来发货。 如果你放入10件，就意味着可以运出10件。 现在您只需运送 5 件。 交易不存在了，存储5中只有一笔交易。存储5中的这笔交易属于未花费的输出。 顾名思义，因为在比特币系统中，输入和输出都是货币单位，所以用成本来表示。 如果是上述的衣服，也可以称为“未使用的、可装运的存储资源”。

UTXO 基本上就是这个意思。

特殊目的公司

SPV也是一个名词，属于比特币钱包的应用。 在这里，首先要提到比特币钱包的概念。 在中本聪客户端，即比特币的核心程序中，提供了比特币钱包的功能。 用于保存比特币地址和私钥等数据，类似于生活中使用的钱包，而这个中本聪钱包需要和完整的区块数据一起使用，所以有个问题，区块数据是非常大，尤其是时间长了，数据量几十G，几百G，还会不断的增长。 为了进行转账操作，需要附加如此大量的数据，怎么办？ 于是就有了这样一个概念，SPV，全称是Simplified Payment Verification，翻译为简单支付验证，什么意思呢？ 我们知道在一个区块中，交易数据或者转账交易主要是被数据量所占据，而这些数据对应的区块头中有一棵上面提到的默克尔树，那么，如果是这样的话，是不是可以像这样嘛，钱包里只保留区块头。 进行支付时，可以通过区块头进行支付验证。 注意是支付验证，不是交易验证。 支付验证主要是验证支付是否已经被网络接收。 确认，而真正的交易确认仍然是通过全客户端来验证的。

这个想法是将钱包功能从核心客户端中分离出来。

分层确定性钱包

这个概念还是跟钱包有关。 在比特币系统中，一个人几乎可以拥有无​​限的钱包地址和私钥。 所以，反正一个人往往不会只有一个地址，而对于团体用户来说，更不可能只有一个地址。 如果按照比特币核心客户端的做法，1个地址和1个独立私钥，这当然是很安全的，但是使用起来很不方便，谁也做不到。 要记住那么长那么多的地址和私钥，有人想出了这样一个概念。

一般来说，思路是这样的：

使用随机数生成根私钥。

使用一定的不可逆算法，根据根密钥生成任意数量的子密钥。

可以看出，在这样的钱包中，其实是生成了一棵树，也就是密钥树。 为什么叫确定性钱包，因为其他所有的密钥都可以根据根密钥生成，为什么叫密钥树呢？ 层次结构，因为结构是树，所以有层次结构。

双花和 51% 攻击

从这里开始，我将介绍比特币系统涉及的一些问题。 双花是什么概念，就是一笔钱被花了两次。 纸币在使用过程中，钱是不能重复花的，因为纸币是一个实体，花完了就没有了，而我们日常使用的银行卡，是不会出现双花的问题的，因为银行是有余额账户的每张卡（银行系统出问题的极少数情况不算。），那么，对于比特币系统来说，既没有银行这样的账户中心，也没有纸币这样的实物货币，那么如何保证比特币不反复花费？

殊不知在比特币网络中，所有的交易每10分钟被打包成一个数据包，也就是所谓的区块，存储并广播到全网，每一个接收到广播的软件客户端，两端都会执行一次同步。 也就是说，这笔钱能不能再花，涉及到以下几个关键点：

反复花的钱，可以自己打包篡改。

包裹被篡改的数量可以通过网络确认。

那么，这里涉及到一个概念，就是在比特币网络中，既然没有中央服务器进行统一可靠的处理，那么谁来打包呢？ 每 10 分钟打包一个区块这件事情谁来做？ 这是通过称为工作量证明的机制完成的。 简单来说，就是每个客户端都会计算一个密码问题。 谁先计算出来，谁就有权打包。 谁愿意做这样的事？ 羊毛布？ 比特币网络有激励机制，获得包装权会奖励一定数量的比特币。 这么好，这保证你要打包不打包。 即使你修改了本机的区块数据，广播出去验证无效也没用。

也就是说，想要双花，至少要能够抢到优势明显的包装权。 目前比特币网络的算力非常大，很难发出这样的攻击。

这次攻击是 51% 的攻击。 也就是说，攻击者拥有全网一半以上的算力，数据始终是自己打包的。 自然是可以不断的修改数据，广播出去，然后自己打包。

叉

这个问题很容易解释。 区块链的数据结构就像一个链表。 那么，有没有可能有一天，这条链条突然变成了两条链条呢？ 举个例子，比特币的数据结构或者协议已经修改升级到新版本了，但是因为比特币软件无处不在，你不能强制所有人马上升级到新版本，那么可能会出现旧版本和新版本并存，如果新版本启用了一些新的数据协议或数据结构，旧版本无法完全理解新版本打包的数据，就会导致分叉。

对于分叉，也是有区别的，有软分叉和硬分叉。

简单来说，软分叉就是老版本的客户端可以读取他能看懂的那部分区块数据，但是不能看懂新增的字段，大家还可以共存； 硬分叉意味着旧版本无法理解新版本的数据，从而导致完全分叉。

总结

有许多与比特币相关的技术。 本文只能截取其中的一些重点进行一些说明。 写作过程中难免会出现错误。 请原谅我。

电报群

Coin Discovery在Telegram建立了超级群，欢迎新老朋友加入，加入方式为：

电报频道

Coin Discovery Telegram频道每天推送精选文章。 欢迎新老朋友加入。 加盟方式为：

以上内容不构成投资建议，仅供参考

在公众号回复“帮助”查看免费数据下载列表