BTC共识机制——POW

BTC共识机制——POW

在现实的银行体系里，用户的每一笔转账，会有一个中心系统——银行系统负责结算。而 比特币是一个去中心化的点对点交易系统，由于没有中心机构负责对每一笔交易的监管，记录每一笔账，所以需要通过一种机制让整个系统有规则的记录每一笔交易。比特币的共识机制是工作量证明（proof of work，简称POW）。

比特币的交易是存放单向区块里，所有的区块通过哈希指针连接在一起组成一个区块链。

既然比特币是一个去中心化的交易系统，那就衍生出两个问题：一，没有银行体系，谁负责记账结算每一笔交易；二，如何确保记 录是合规的交易。

1 谁有权记账？

针对第一个问题，比特币采取的是工作量证明机制（proof of work，简称POW）。工作量证明是根据工作量结果来选定记录交易的节点，具体的机制是暴力解一道数学难题，区块头的哈希值小于目标值，即

H(block headers) ≤target

而要解出这个不等式只能一点点试出来，也就是谁越努力，谁算出来的概率就越大，谁就有资格去发布一个区块，所以这个过程才被称为工作量证明。

Nonce 在区块头（block headers）里的一个值，只有找到合适的nonce使得区块头的哈希值小于target，才可以区块合法化并发布。

在比特币中，Nonce字段是一个32位的无符号整数。这意味着Nonce的取值范围是从0到2^32-1，共有2^32个可能的数值。当挖矿难度很高的时候即使遍历了这2^32个取值，也无法使得H(block headers)≤target，此时可以通过调整区块中的coinbase交易里的input内容，从而改变merkle root的哈希值，最终使得H(block headers)≤target。

2 如何确保记账人不作假？

这个问题包括两个问题，一，什么是合规交易；二，如何确保记账者记录的是合规交易。

合规交易，这里的定义是，合法的交易者A合法地将有来源的钱转给合法的交易者B。这个定义里有三个关键，一合法的交易者A和B；合法转出；有来源的钱。

比特币开户——公私钥对

针对于合法交易者问题，在比特币中，任何人包括非法分子可以随便在本地创建多个公私钥对（开多个户），公钥是公开的，相当于银行账户，作为转账和接收的地址；私钥是非公开的，相当于账户密码，知道私钥就可以转出公钥账户上的比特币。公私钥对可以确保交易是交易者自己发起的而非伪造的，但是如何发现发现交易者自身是否是合法的还是非法的，者需要其他手段去监控。为方便讨论，默认所有交易者都是合法的，非恶意的。

公私钥对用于签名确保是本人发起的交易

针对于合法转出，合法转出指的是每一笔交易都要有签名证明转出者的身份，而不是其他人伪造转出者的身份。如前所述，比特币开户是在本地创造一对公钥和私钥，公钥是账户，私钥是密码。转账者通过私钥对交易签名，其他人通过公钥来验证签名的正确性，从而确保交易是由比特币的所有者发起的交易而非第三方伪造的。

在比特币中，每一笔转账金额都要指向钱的来源，一是避免捏造比特币的数量，二可以避免double spending（双花问题，一笔钱花两次）。就比如转账记录，A将10个比特币分别给B和C转去5个比特币，那A要说明自己这10个比特币是来自于上一笔交易。同样B将比特币转给C和D也要说明这个钱是来自于A，依此类推，每一笔交易的来源都可以追溯到最开始挖矿产生的比特币。

那如何确保记账者如实记录合规交易？当包含交易的新区块发布的时候，其他节点会去验证这个节点是否是合法的。验证区块里面的每一笔交易是否合法，是否有合法签名，里面的钱是否被花过，如果不合法则拒绝加入到区块链中。

最长链原则

其次检验这个区块是否是按照最长合法链原则添加的区块，如果不在最长合法链上，其他节点也会拒绝加入到区块中。