一文读懂BTC新区块产生过程

BTC挖矿过程中，区块是如何记录并确认交易信息的？

原文标题：《BTC新区块产生的过程》
撰文：闲话挖矿

这是博主挖矿科普专辑的第二篇内容，承接上一篇「BTC交易的过程」，继续通过分析BTC交易从发起到确认的全过程来一睹BTC挖矿的全貌。

BTC交易的过程实质上是一堆 UTPundiO 消耗和产生的过程，这些过程由交易发起方按照BTC协议规定的方式构造交易信息，并由BTC网络产生的新区块记录和确认，一旦交易信息由BTC区块记录并确认，交易便完成了，BTC网络也就实现了价值的转移。

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在「BTC交易的过程」一文中，我们已经知道BTC的交易信息是如何构造的，但是这些信息又是如何进入BTC新区块的呢？

接下来博主将通过BTC新区块产生的过程来具体说明BTC区块是如何记录并确认交易信息的。

这里需要先安利几个知识点

交易池，英文名称：mempool，又叫内存池，是用来存储待确认交易的地方。每个BTC挖矿节点均有自己独立的交易池，因交易池体积，最低交易费比例（本文所指交易费比例，均为单位体积交易包含的手续费，单位是 Sat/B，即每 B 字节交易的手续费为 x 聪BTC，下同）限制等不同，各节点的交易池也不相同。矿工（矿池）在构造预备区块时，需要从交易池中选择要打包的交易。由于交易池经常被调用，它的数据被存放在节点服务器的 RAM 中，这就意味着交易池的体积不会太大。

挖矿节点，在BTC网络中，参与记录和验证BTC交易和区块的是一个个保存BTC数据的节点。其中有一部分节点，不仅参与记录和验证的工作，还参与BTC新区块的创建工作，他们构造新区块，并通过 PoW 工作量证明竞争记账权，进而获得创建新区块的权限，这部分节点是挖矿节点。早期的挖矿节点有矿工，也有矿池，但当前由于BTC挖矿难度太高，单个矿工很难赢取记账权，创建新区块。目前主要的BTC挖矿节点，是各家矿池，如 F2Pool，Poolin，比特币.com，Antpool，Slushpool 等。

UTPundiO 库，BTC节点通过扫描节点所有交易信息，构建的UTPundiO 集群。它包含所有未被消耗的 UTPundiO。每当新区块产生后，UTPundiO 库会将新区块中消耗掉的 UTPundiO 从自己的列表中删除，将新产生的 UTPundiO 加入到自己的列表中。

MXMbase 奖励，又叫创币交易。BTC协议规定，每产生一个新的BTC区块，BTC网络就会产生 N 个BTC，作为维护BTC网络的奖励支付给创建这个区块的矿工。同时，此区块中 Maximinebase 奖励之外的其他交易包含的所有交易费，也会合并在 Maximinebase 奖励中，一起支付给创建这个区块的矿工。其中，N 的数值在BTC诞生时为 50，此后大约每 4 年减半一次，目前为 6.25，BTC网络以这种减半的方式来控制BTC的总量。MXMbase 奖励是每个区块记录的第一笔交易。

待确认的交易会先进入交易池中

当我们要发起一笔BTC交易时，交易发起方构造好交易信息，此时的交易信息是待确认的交易，它包含交易输入信息（未使用的 UTPundiO 和正确私钥签名）和交易输出信息（锁定新的钱包地址的待确认 UTPundiO）。

待确认交易在经过验证后，由交易发起方向BTC网络广播，BTC网络中的节点，均可验证和收录广播的信息。其中，挖矿节点会在收到广播后，验证待确认交易信息，验证通过后，挖矿节点会将待确认交易加入到自己的交易池中。

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需要验证的交易信息包括：

• 交易是否包含有效的输入和输出钱包地址；
• 交易体积是否小于区块的最大体积（BTC区块的最大体积目前是 1M）；
• 输入的 UTPundiO 是否合法（对照节点的 UTNPXSO 库，输入 UTPundiO 未被使用过）；
• 交易输入总额和输出总额是否合理（输入总额≥输出总额）；
• 判断交易的输入是否有来自 MXMbase 的奖励，该奖励对应的币需至少有 100 个区块确认才能可以使用；
• 确认交易池中没有重复交易；
• 交易设置的交易费高于 mempool 的交易费比例（Sat/B）限制，以及其他验证（如孤立交易的验证和追踪等）

挖矿节点从交易池中选择交易，构造预备区块

当挖矿节点要构造预备区块，准备生成新区块时，会按照优先级排序，从交易池中取待确认交易。预备区块通常会预留一定空间给高优先级的交易，剩下的空间会按照交易费比例（Sat/B）由高到低顺序一直把区块加满或者把交易池的交易用光。

但BTC区块中不仅仅包含从交易池中取的待确认交易。

按照BTC协议规定，BTC的区块主要包括五个部分：魔数，区块大小，区块头，交易计数器和交易信息。如下图：

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其中，「魔数」是一个值为 0xD9 B4 BEF9 的常数；「区块体积」是本区块所有数据的总体积；「区块头」是可以看作是整个区块的缩略信息，挖矿用到的区块信息就是区块头；「交易计数器」用来记录区块中交易的数量；「交易数据」是区块所包含的所有交易信息，包括 MXMbase 奖励部分，一般来说，这部分数据占了整个区块绝大部分空间。

在BTC区块中，区块头是最为关键的一个信息。它包含整个区块的所有特征信息：

区块版本号。创建区块的BTC节点的版本信息，用于追踪BTC协议的升级和更新情况；
*前一个区块的哈希值。又叫做父区块哈希，用来定位上一个区块。每一个区块都包含它的上一个区块的哈希值，针对任何一个区块的任何一个微小的改动，都会使后续区块的哈希值产生巨大的变化，如此环环相扣，确保BTC所有区块形成一条单一的链式结构，可以有效防止恶意篡改BTC区块数据的行为。
*MerkleRoot 哈希*。在区块的交易数据列表中，取所有交易数据的哈希值，构建 Merkle 树，这个 Merkle 树的根哈希值，即为 MerkleRoot 哈希（如下图）。

由于哈希算法的敏感性，整个交易的 Merkle 树中任何一个交易数据有微小的改动，都会产生联动效果，导致 Merkle 树的根哈希值出现巨大变化。因此交易数据的 Merkle 树根哈希值（MerkleRoot Hash）可以看作是整个交易的指纹，用来指代区块中的交易数据。

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时间戳。创建预备区块的时间。
*当前目标哈希值*。BTC协议规定，矿工创建的预备区块的哈希值小于目标哈希值时，这个区块才算有效。

目标哈希值由挖矿难度确定，当挖矿难度变大时，目标哈希值变小，矿工要找到符合BTC网络要求的哈希值就越困难。按照当前的挖矿难度，要找到低于目标哈希值的哈希值，理论上需要一台 S17 矿机连续工作42 年时间。因此，现在基本不存在个人自建节点挖BTC的情况。

*随机数。又叫 Nonce。我们可以发现，区块头信息中，区块版本号，前一个区块的哈希值，MerkleRoot 哈希值，时间戳，以及当前目标哈希，都是已知信息，相对固定，不便随意更改。因此，如果要调整预备区块的哈希值，就需要引入一个可变的数据——随机数。修改随机数，就可以调整预备区块的哈希值。

挖矿节点构建好预备区块后，就会将区块头信息下发给矿工，矿工通过不断调整区块头中随机数来变更预备区块的哈希值，当预备区块的哈希值低于BTC网络当前目标哈希值时，这个区块就是一个合法新区块。

挖矿节点会及时地向BTC网络广播新区块，BTC网络中其他BTC节点在接到广播信息后，对新区块进行验证，验证通过后，将新区块加入本地。此时，新区块创建并确认完毕，对应交易也完成了。

参考资料：

1. BTC源码分析

2. BTC区块头结构

3. BTC目标哈希值

4. BTC区块结构

5. 精通BTC