區塊鏈入門 | 一文看懂比特幣新區塊產生的過程_比特幣

這是博主挖礦科普專輯的第二篇內容，承接上一篇“比特幣交易的過程”，繼續通過分析比特幣交易從發起到確認的全過程來一睹比特幣挖礦的全貌。

比特幣交易的過程實質上是一堆UTXO消耗和產生的過程，這些過程由交易發起方按照比特幣協議規定的方式構造交易信息，并由比特幣網絡產生的新區塊記錄和確認，一旦交易信息由比特幣區塊記錄并確認，交易便完成了，比特幣網絡也就實現了價值的轉移。

在“比特幣交易的過程”一文中，我們已經知道比特幣的交易信息是如何構造的，但是這些信息又是如何進入比特幣新區塊的呢？

接下來博主將通過比特幣新區塊產生的過程來具體說明比特幣區塊是如何記錄并確認交易信息的。

這里需要先安利幾個知識點：

交易池，英文名稱：mempool，又叫內存池，是用來存儲待確認交易的地方，每個比特幣挖礦節點均有自己獨立的交易池，因交易池體積，最低交易費比例限制等不同，各節點的交易池也不相同。礦工在構造預備區塊時，需要從交易池中選擇要打包的交易。由于交易池經常被調用，它的數據被存放在節點服務器的RAM中，這就意味著交易池的體積不會太大。

商業銀行FWS推出10億美元區塊鏈基金P3 Capital Fund:9月21日消息，商業銀行First Wall Street Capital Mena (FWS)董事總經理Malik Brooks與區塊鏈和數字資產思想領導平臺P3 Network (P3) 達成最終協議，推出10億美元基金P3 Capital Fund，該基金專注于支持和加快全球新興的區塊鏈行業創新發展。（Khaleej Times）[2022/9/22 7:12:15]

挖礦節點，在比特幣網絡中，參與記錄和驗證比特幣交易和區塊的是一個個保存比特幣數據的節點。其中有一部分節點，不僅參與記錄和驗證的工作，還參與比特幣新區塊的創建工作，他們構造新區塊，并通過PoW工作量證明競爭記賬權，進而獲得創建新區塊的權限，這部分節點是挖礦節點。早期的挖礦節點有礦工，也有礦池，但當前由于比特幣挖礦難度太高，單個礦工很難贏取記賬權，創建新區塊。目前主要的比特幣挖礦節點，是各家礦池，如F2Pool，Poolin，BTC.com，Antpool，Slushpool等。

微眾銀行牽頭建立的區塊鏈開源生態圈已匯聚超3000家企業及機構:金色財經消息消息，3月26日，記者從微眾銀行獲悉，粵澳跨境數據驗證平臺近日在粵澳兩地上線試運行。其中，微眾銀行是粵澳跨境數據驗證平臺的區塊鏈開源技術支持方。

該平臺的數據驗證能力基于微眾銀行牽頭研發的區塊鏈底層開源平臺FISCO BCOS開發，憑借區塊鏈技術的不可篡改性和可追溯性，確保數據真實可靠及隱私安全。

微眾銀行表示，目前，微眾銀行牽頭建立的區塊鏈開源生態圈，已匯聚超7萬名個人開發者、超3000家企業及機構，成為最大最活躍的國產開源聯盟鏈生態圈之一。（證券日報）[2022/3/27 14:20:57]

UTXO庫，比特幣節點通過掃描節點所有交易信息，構建的UTXO集群。它包含所有未被消耗的UTXO。每當新區塊產生后，UTXO庫會將新區塊中消耗掉的UTXO從自己的列表中刪除，將新產生的UTXO加入到自己的列表中。

上海財經大學MBA研究生設置區塊鏈相關課程:上海財經大學商學院發布2020版MBA研究生培養方案。新設的“數智時代的金融科技”方向，旨在通過“人工智能和量化投資”、“區塊鏈：技術驅動金融、商務和社會”、“金融大數據挖掘”等課程，同時依靠上財優勢學科與國家級金融虛擬仿真實驗中心，理論與實踐雙驅動，培養掌握前沿金融科技知識，具備深厚財經素養的戰略型金融科技與管理人才。（第一財經）[2020/5/22]

Coinbase獎勵，又叫創幣交易。比特幣協議規定，每產生一個新的比特幣區塊，比特幣網絡就會產生N個比特幣，作為維護比特幣網絡的獎勵支付給創建這個區塊的礦工。同時，此區塊中Coinbase獎勵之外的其他交易包含的所有交易費，也會合并在Coinbase獎勵中，一起支付給創建這個區塊的礦工。其中，N的數值在比特幣誕生時為50，此后大約每4年減半一次，目前為6.25，比特幣網絡以這種減半的方式來控制比特幣的總量。Coinbase獎勵是每個區塊記錄的第一筆交易。

聲音 | 工信部信軟司李穎：區塊鏈是一個未來發展方向，要清醒辯證地看待其發展:6月29日，工業和信息部信息化和軟件服務業司(以下簡稱“工信部信軟司”)巡視員李穎在“第22屆中國國際軟件博覽會區塊鏈與數據治理高端研究會”上指出，區塊鏈是一個未來發展方向，但是目前還很不成熟，現在基礎的架構還遠遠沒有定型，所以還是要比較清醒辯證的看待區塊鏈的發展，不要盲從，特別是不要做出超越法律和規范邊界的行為。同時李穎也表示，將進一步加大對區塊鏈產業的扶持力度，構建完善區塊鏈的標準體系。[2018/7/2]

待確認的交易會先進入交易池中

當我們要發起一筆比特幣交易時，交易發起方構造好交易信息，此時的交易信息是待確認的交易，它包含交易輸入信息和交易輸出信息。

待確認交易在經過驗證后，由交易發起方向比特幣網絡廣播，比特幣網絡中的節點，均可驗證和收錄廣播的信息。其中，挖礦節點會在收到廣播后，驗證待確認交易信息，驗證通過后，挖礦節點會將待確認交易加入到自己的交易池中。

金色財經現場報道 KyberNetwork首席運營官：當前挑戰是找到有效的區塊鏈間溝通方式:金色財經6月3日現場報道，在今天的以太坊技術及應用大會“探索-以太坊與行業生態”圓桌討論上， KyberNetwork首席運營官 TN Lee說：對于一個以太坊上的鏈來說，如果有另外一家公司在另外一個鏈上愿意合作，但沒有一種有效的以太坊的鏈和另外一個鏈的溝通方式、通訊方式，那么這兩家公司就沒辦法合作了。兩家公司在不同的鏈做同樣的事情，他們的努力是重復的，這并不是有效的資源利用方法。所以，我們想要整合不同鏈之間的溝通方式，以實現更多市場活動，讓大家可以集成努力、共同合作、推動進步，讓行業取得更大的發展。[2018/6/3]

圖1待確認交易進入交易池

需要驗證的交易信息包括：

交易是否包含有效的輸入和輸出錢包地址；

交易體積是否小于區塊的最大體積；

輸入的UTXO是否合法；

交易輸入總額和輸出總額是否合理；

判斷交易的輸入是否有來自Coinbase的獎勵，該獎勵對應的幣需至少有100個區塊確認才能可以使用；

確認交易池中沒有重復交易；

交易設置的交易費高于mempool的交易費比例限制，以及其他驗證。

挖礦節點從交易池中選擇交易，構造預備區塊

當挖礦節點要構造預備區塊，準備生成新區塊時，會按照優先級排序，從交易池中取待確認交易。預備區塊通常會預留一定空間給高優先級的交易，剩下的空間會按照交易費比例由高到低順序一直把區塊加滿或者把交易池的交易用光。

但比特幣區塊中不僅僅包含從交易池中取的待確認交易。按照比特幣協議規定，比特幣的區塊主要包括五個部分：魔數，區塊大小，區塊頭，交易計數器和交易信息。如下圖：

圖2比特幣區塊的結構

其中，“魔數”是一個值為0xD9B4BEF9的常數；“區塊體積”是本區塊所有數據的總體積；“區塊頭”是可以看作是整個區塊的縮略信息，挖礦用到的區塊信息就是區塊頭；“交易計數器”用來記錄區塊中交易的數量；“交易數據”是區塊所包含的所有交易信息，包括Coinbase獎勵部分，一般來說，這部分數據占了整個區塊絕大部分空間。

在比特幣區塊中，區塊頭是最為關鍵的一個信息。它包含整個區塊的所有特征信息：

區塊版本號。創建區塊的比特幣節點的版本信息，用于追蹤比特幣協議的升級和更新情況；

前一個區塊的哈希值。又叫做父區塊哈希，用來定位上一個區塊。每一個區塊都包含它的上一個區塊的哈希值，針對任何一個區塊的任何一個微小的改動，都會使后續區塊的哈希值產生巨大的變化，如此環環相扣，確保比特幣所有區塊形成一條單一的鏈式結構，可以有效防止惡意篡改比特幣區塊數據的行為。

MerkleRoot哈希。在區塊的交易數據列表中，取所有交易數據的哈希值，構建Merkle樹，這個Merkle樹的根哈希值，即為MerkleRoot哈希。如下圖：

圖3交易數據的Merkle樹結構

由于哈希算法的敏感性，整個交易的Merkle樹中任何一個交易數據有微小的改動，都會產生聯動效果，導致Merkle樹的根哈希值出現巨大變化。因此交易數據的Merkle樹根哈希值可以看作是整個交易的指紋，用來指代區塊中的交易數據。

時間戳。創建預備區塊的時間。

當前目標哈希值。比特幣協議規定，礦工創建的預備區塊的哈希值小于目標哈希值時，這個區塊才算有效。目標哈希值由挖礦難度確定，當挖礦難度變大時，目標哈希值變小，礦工要找到符合比特幣網絡要求的哈希值就越困難。按照當前的挖礦難度，要找到低于目標哈希值的哈希值，理論上需要一臺S17礦機連續工作42年時間。因此，現在基本不存在個人自建節點挖比特幣的情況。

隨機數。又叫Nonce。我們可以發現，區塊頭信息中，區塊版本號，前一個區塊的哈希值，MerkleRoot哈希值，時間戳，以及當前目標哈希，都是已知信息，相對固定，不便隨意更改。因此，如果要調整預備區塊的哈希值，就需要引入一個可變的數據——隨機數。修改隨機數，就可以調整預備區塊的哈希值。

挖礦節點構建好預備區塊后，就會將區塊頭信息下發給礦工，礦工通過不斷調整區塊頭中的隨機數來變更預備區塊的哈希值，當預備區塊的哈希值低于比特幣網絡當前目標哈希值時，這個區塊就是一個合法新區塊。

挖礦節點會及時地向比特幣網絡廣播新區塊，比特幣網絡中其他比特幣節點在接到廣播信息后，對新區塊進行驗證，驗證通過后，將新區塊加入本地，并延長節點的區塊鏈。此時，新區塊創建并確認完畢，對應交易也完成了。

參考資料：比特幣源碼分析比特幣區塊頭比特幣目標哈希值比特幣區塊結構精通比特幣

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