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，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)是歷史上首個經(jīng)過大規(guī)模、長時間檢查的數(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： 意味著沒有任何獨(dú)立個體可以對網(wǎng)絡(luò)中的交易進(jìn)行破壞，任何交易請求都需要大多數(shù)參與者的共識。

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

通脹預(yù)防： 比特幣的發(fā)行需要通過挖礦計算來進(jìn)行，發(fā)行量每四年減半，總量上限為2100萬枚，無法被超發(fā)。

比特幣網(wǎng)絡(luò)是一個分布式的點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中的礦工通過“挖礦”來完成對交易記錄的記賬過程，維護(hù)網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行。

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

基本交易過程： 每次發(fā)生交易，用戶需要將新交易記錄寫到比特幣區(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，被使用過的交易的輸出（Spent Transaction Outputs,STO）則無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程

在交易過程中，轉(zhuǎn)賬方需要通過簽名腳本來證明自己是UTXO的合法使用者，并且指定輸出腳本來限制未來本交易的使用者（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，一般要再生成幾個新的區(qū)塊（深度大于0）才認(rèn)為該交易被確認(rèn)。

賬戶/地址
比特幣采用了非對稱的加密算法，用戶自己保留私鑰，對自己發(fā)出的交易進(jìn)行簽名確認(rèn)，并公開私鑰。
比特幣的賬戶地址其實(shí)就是用戶公鑰經(jīng)過一系列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)生時被觸發(fā)。通過腳本機(jī)制而非寫死交易過程，比特幣網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了一定的可擴(kuò)展性。比特幣腳本語言是一種非圖靈完備的語言，類似Forth語言。

一般每個交易都會包括：

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

認(rèn)領(lǐng)腳本： 用來證明自己可以滿足交易輸出腳本的鎖定條件，即對某個交易的輸出（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，要對區(qū)塊鏈的完整性進(jìn)行檢查，只需要檢查各個區(qū)塊頭信息即可，無需獲取具體的交易內(nèi)容，這也是簡單交易驗(yàn)證的基本原理。

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

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

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，比特幣價值就越高，但挖到礦的概率會降低。反之，網(wǎng)絡(luò)中礦工減少，會讓系統(tǒng)更容易被攻擊，比特幣價值降低，但挖到礦的概率會提高。

共識機(jī)制
傳統(tǒng)共識問題往往是考慮在一個相對封閉的分布式系統(tǒng)中，允許同時存在正常節(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）的共識機(jī)制：基于概率、隨時間逐步增強(qiáng)確認(rèn)的共識。現(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隨時間而指數(shù)級上升，被推翻的可能性隨之指數(shù)級下降。
可用性的提升：考慮到Internet的尺度，達(dá)成共識的時間相對比較長，因此按照區(qū)塊（一組交易）來進(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。
減少提案的個數(shù)：限制網(wǎng)絡(luò)中共識的噪聲，通過大量的Hash計算和少數(shù)的合法結(jié)果來限制合法提案的個數(shù)，進(jìn)一步提高網(wǎng)絡(luò)中共識的穩(wěn)定性。

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

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

系統(tǒng)每隔兩周會根據(jù)上一周期的挖礦時間來調(diào)整挖礦難度（通過調(diào)整限制數(shù)的大小），調(diào)節(jié)生成區(qū)塊的時間穩(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)險了；達(dá)到1/2的算力，從概率上就掌控了整個網(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組織手里，沒太好的辦法，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)制來實(shí)現(xiàn)共識，對PoW試圖改進(jìn)衍生了PoS和DPoS, 原理仍然為通過經(jīng)濟(jì)懲罰來限制惡意參與。

工作量證明（Pow）通過計算來猜測一個數(shù)值（nonce），使得拼湊上交易數(shù)據(jù)后內(nèi)容的Hash值滿足規(guī)定的上線。由于Hash難題在目前計算模型下需要大量的計算，這就保證在一段時間內(nèi)系統(tǒng)中只能出現(xiàn)少數(shù)合法提案。反過來，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)（同時更傾向于維護(hù)網(wǎng)絡(luò)的正常工作）

典型過程：通過保證金（代幣、資產(chǎn)、名聲等具備價值屬性的物品即可）來對賭一個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的風(fēng)險，即損失經(jīng)濟(jì)利益。

一般情況下，對于PoS來說，需要掌握超過全網(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，等待6個區(qū)塊的可信確認(rèn)將導(dǎo)致約一個小時的最終確認(rèn)時間。為了提升性能，提出了閃電網(wǎng)絡(luò)等創(chuàng)新設(shè)計

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)主要通過引入智能合約的思想來完善鏈下的交易渠道。核心的思想主要有兩個：

RSMC： 解決鏈下交易的確認(rèn)問題

HTLC： 解決支付通道的問題

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

基本過程： 首先假定雙方之間存在一個“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，需要對交易后產(chǎn)生資金的分配結(jié)果共同進(jìn)行確認(rèn)，同時簽字把舊版本的分配方案作廢掉。任何一方需要提現(xiàn)時，可以將他手里雙方簽署過得交易結(jié)果寫到區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中，從而被確認(rèn)。

優(yōu)點(diǎn)： RSMC整個過程只有提現(xiàn)時才需要通過區(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HTLC來實(shí)現(xiàn)的，中文意思是“哈希的帶時鐘的合約”。這其實(shí)就是限時轉(zhuǎn)賬

基本過程：通過智能合約，雙方約定轉(zhuǎn)賬方先凍結(jié)一筆錢，并提供一個哈希值，如果在一定時間內(nèi)有人能提出以個字符串，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)了接收方來提現(xiàn)），則這筆錢轉(zhuǎn)給接收方

RSMC 保障了兩個人之間的直接交易可以在鏈下完成，HTLC保障了任意兩個人之間轉(zhuǎn)賬都可以通過一條“支付”通道來完成。閃電網(wǎng)絡(luò)整合者兩種機(jī)制，就可以實(shí)現(xiàn)任意兩個人之間的交易都在鏈下完成。
在整個交易中，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)。簡單來說，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，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)的礦工來完成。而很多時候用戶只關(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。

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

側(cè)鏈協(xié)議中，用SPV來證明一個動作卻是已經(jīng)在區(qū)塊鏈中發(fā)生過，稱為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

一個特定輸出確實(shí)存在于某個區(qū)塊中的密碼學(xué)證明

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

具體來說，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)鏈需要對對方的特定交易做SPV驗(yàn)證。過程如下：

比特幣的設(shè)計目標(biāo)在于支持一套安全、開放、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： 大容量可帶來更高的交易吞吐率，但會增加挖礦成本，帶來中心化的風(fēng)險，同時增大存儲的代價。權(quán)衡設(shè)計當(dāng)前的區(qū)塊容量上限設(shè)定為1MB。

出塊間隔時間： 更短的出塊間隔時間可以縮短交易確認(rèn)時間，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更多的靈活性，但也會引入更多的安全風(fēng)險

當(dāng)需要修復(fù)漏洞、擴(kuò)展功能或調(diào)整結(jié)構(gòu)時，比特幣需要在全網(wǎng)的配合下進(jìn)行升級。升級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)不可能同時完成升級來遵循新的協(xié)議，因此升級時可能出現(xiàn)分叉。把網(wǎng)絡(luò)中升級的幾點(diǎn)稱為新幾點(diǎn)，未升級的節(jié)點(diǎn)稱為舊節(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，則稱為硬分叉。

硬分叉升級區(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，大的改動只能通過硬分叉來完成。

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

延展性攻擊會帶來一些問題：

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)方對交易狀態(tài)的判斷，甚至發(fā)動拒絕服務(wù)攻擊

多重簽名場景下：一個簽名者有能力改變交易ID，會給其他簽名者的資產(chǎn)帶來潛在風(fēng)險

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)容之爭主要有兩派提出的方案：

核心開發(fā)者的 Bitcoin Core 團(tuán)隊(duì)主推的隔離見證方案（SegWit）： 將交易中的簽名部分從交易的輸入中隔離出來，放到交易末尾的被稱為見證的字段當(dāng)中。同時，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。
不過通過分析大量公開可得的交易記錄，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

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

完整客戶端： 存儲所有的交易歷史記錄，功能完備

輕量級客戶端： 不保存交易副本，交易需要向別人查詢

在線客戶端： 通過網(wǎng)頁模式來瀏覽第三方服務(wù)器提供的服務(wù)

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

離線錢包： 離線存儲私鑰，也稱為“冷錢包”，安全性相對較強(qiáng)，但無法直接發(fā)送交易，便利性差

本地錢包： 用本地設(shè)備存儲私鑰，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

在線錢包：用錢包服務(wù)器存儲經(jīng)用戶口令加密過得私鑰，易用性強(qiáng)，但錢包服務(wù)器同樣可能被攻擊

多重簽名錢包：由多方共同管理一個錢包地址，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)是專門為“挖礦”設(shè)計的硬件設(shè)備，目前主要包括基于GPU和ASIC芯片的專用礦機(jī)。