比特币交易规则详解
比特币，作为首个真正意义上的去中心化数字货币，其交易规则的设计巧妙地结合了密码学原理和分布式账本技术。 理解这些规则对于参与比特币生态系统至关重要。
交易的构成
一笔比特币交易的核心由三个关键部分构成：输入(Inputs)、输出(Outputs)和锁定时间(Locktime)。理解这三个要素对于掌握比特币交易的本质至关重要。
输入(Inputs): 输入是指向先前未花费的交易输出(UTXO, Unspent Transaction Output)的引用。每个输入都包含一个指向特定UTXO的指针，以及一个由交易发送者提供的数字签名。这个签名证明了发送者拥有花费该UTXO的权限。一笔交易可以包含多个输入，允许用户合并来自多个UTXO的资金，就像把多个硬币放入钱包用来支付一样。输入的数量和所引用的UTXO的大小会影响交易的手续费。
输出(Outputs): 输出定义了资金的去向，也就是接收者的地址和发送给他们的比特币数量。每个输出都包含一个接收者的比特币地址和一个指定发送给该地址的比特币数量。与输入类似，一笔交易可以包含多个输出。例如，一笔交易可以将资金发送给多个接收者，或者将一部分资金发送回给自己作为找零。输出创建了新的UTXO，这些UTXO随后可以被用作未来交易的输入。
锁定时间(Locktime): 锁定时间是一个可选参数，用于指定交易可以被添加到区块链上的最早时间。如果锁定时间被设置为一个未来的时间戳，则交易在达到该时间之前无效。锁定时间可以用于创建条件交易或计划交易，但通常情况下，锁定时间会被设置为0，表示交易可以立即被处理。锁定时间主要用于高级的比特币应用，如闪电网络和时间锁定的合约。
输入 (Inputs): 输入指向先前交易的输出，表明花费资金的来源。每个输入都包含以下信息：- 交易哈希(Transaction Hash): 指向先前交易的唯一标识符，表明该交易产生了当前花费的UTXO (Unspent Transaction Output，未花费的交易输出)。
- 输出索引(Output Index): 指定先前交易中要花费的输出序号。 一笔交易可能包含多个输出，索引从0开始。
- 脚本签名(ScriptSig/Input Script): 包含解锁先前交易输出所需的脚本，本质上是证明用户拥有花费该UTXO的权利。 最常见的脚本签名包含公钥和数字签名。
- 价值 (Value): 指定发送给接收方的比特币数量，以聪 (Satoshi) 为单位，1比特币等于1亿聪。
- 锁定脚本 (ScriptPubKey/Output Script): 定义了花费该输出所需的条件，例如需要提供的公钥哈希。 最常见的锁定脚本是 Pay-to-Pubkey Hash (P2PKH)， 这种脚本要求提供与锁定脚本中公钥哈希匹配的公钥，并使用与该公钥对应的私钥生成的签名。
交易的验证
比特币网络中的所有节点，作为去中心化共识机制的一部分，都必须严格验证每一笔交易，以确保其符合协议规则且有效。这种验证确保了区块链的完整性和安全性。验证过程涉及一系列详细的检查，具体步骤如下：
- 语法和数据结构检查: 节点首先对接收到的交易进行初步的格式验证，确认其语法和数据结构是否严格符合比特币协议中定义的标准。这包括检查交易的版本号、输入和输出的数量以及各种字段的编码方式是否正确。任何与协议规范不符的交易都会被立即拒绝。
- 输入验证: 节点会深度检查交易的每一个输入，确保每个输入都精确地引用了一个尚未花费的交易输出（Unspent Transaction Output, UTXO）。 验证包括确认引用的UTXO确实存在于区块链中，并且尚未被之前的任何交易花费。如果引用的UTXO不存在或已经被花费，则该交易将被判定为无效。更重要的是，节点必须验证输入中提供的脚本签名是否能够成功解锁相应UTXO的锁定脚本。 这需要执行解锁脚本（scriptSig）和锁定脚本（scriptPubKey），这两个脚本的执行结果必须为真（TRUE），交易才能被认为是有效的。对于常见的支付到公钥哈希（P2PKH）脚本，这意味着要验证提供的公钥哈希是否与锁定脚本中的公钥哈希完全匹配，并且验证使用相应私钥生成的数字签名是否有效。 签名验证过程依赖于密码学算法，例如椭圆曲线数字签名算法（ECDSA），以确保签名的真实性和有效性。
- 输出验证: 节点会检查交易的每一个输出，确保输出中指定的比特币数量为正数。一个输出不能指定负数的比特币值。更重要的是，节点会计算所有输出中比特币数量的总和，并将其与所有输入中UTXO的总价值进行比较。输出的总和不能超过输入的总和，差额部分会被自动视为矿工费，用于激励矿工将该交易打包到区块中。如果输出总和超过输入总和，交易将被视为无效。
- 双重支付检查: 节点必须执行严格的双重支付检查，以防止同一笔UTXO被花费两次。 为了实现这一点，节点通常会维护一个UTXO集合（UTXO set），该集合记录了当前所有未花费的交易输出。 当节点收到一笔新的交易时，它会检查该交易的输入是否试图花费已经被花费的UTXO。 如果发现双重支付的企图，该交易将被拒绝，从而有效地防止了欺诈行为。UTXO集合的维护和快速查询是确保比特币网络安全的关键。
- 锁定时间检查: 比特币交易可以包含一个可选的锁定时间参数（nLockTime）。如果交易指定了锁定时间，节点会检查当前时间（以Unix时间戳表示）或当前的区块高度是否已经达到或超过指定的锁定时间。只有当满足锁定时间条件时，该交易才能被包含到区块中。锁定时间机制允许创建在特定时间或特定区块高度之后才能生效的交易，从而提供了更大的灵活性。
交易费
比特币交易费是交易发送方支付给矿工的激励机制，促使他们将交易纳入区块链的区块中。此费用并非强制执行，但实际操作中，较高的交易费通常意味着矿工更有可能优先处理该交易，从而加快交易确认的速度。 交易费可以被视为对矿工提供的算力资源和维护区块链安全的补偿。
交易费的计算方式通常基于交易数据的大小（以字节为单位）和当前比特币网络的拥堵程度。交易的大小直接关联于交易的输入（Inputs）和输出（Outputs）的数量。 每个输入代表先前交易的未花费输出（UTXO），而每个输出则指向新的比特币地址。因此，包含更多输入和输出的交易意味着更大的交易体积，进而需要支付更高的费用才能获得及时的确认。复杂的交易结构，例如多签名交易或CoinJoin交易，也可能导致更大的体积。
比特币矿工在构建区块时，通常会优先选择交易费更高的交易进行打包，以最大化自身收益。 当比特币网络拥堵时，大量交易同时竞争有限的区块空间，交易费较低的交易可能会被延迟确认，甚至在极端情况下，如果交易费过低且长时间未被确认，可能会被网络丢弃。 此时，用户可以选择通过手续费替换（Replace-by-Fee，RBF）或子母支付（Child Pays for Parent，CPFP）等技术来增加交易费，以加速交易确认。 RBF允许用户创建一个新的交易，替换未确认的原始交易，并支付更高的费用。CPFP允许用户花费一个未确认的交易的输出，并为包含子交易和父交易的整个交易链支付更高的费用。
脚本语言
比特币的脚本语言 (Script) 是一种非图灵完备的、基于堆栈的编程语言，主要用于定义锁定脚本 (scriptPubKey) 和解锁脚本 (scriptSig)，从而实现各种交易条件的约束和验证。与传统编程语言不同，比特币脚本专注于交易的授权和验证，虽然其功能相对有限，但足以支持一系列复杂的智能合约，例如多重签名、时间锁等。
脚本操作码 (Opcodes) 定义了脚本执行的具体操作，包括数据操作、流程控制、算术运算、逻辑运算、密码学哈希运算以及签名验证等。这些操作码在脚本执行器中按顺序执行，以验证交易的有效性。一些常见的脚本操作码包括
OP_DUP
(复制栈顶元素),
OP_HASH160
(计算 RIPEMD160(SHA256(x))),
OP_EQUALVERIFY
(验证栈顶两个元素是否相等，不相等则立即终止脚本),
OP_CHECKSIG
(验证签名是否有效) 等。这些操作码的组合可以构建出复杂的交易验证逻辑。
除了最常见的 Pay-to-Public-Key-Hash (P2PKH) 脚本外，比特币还支持多种其他类型的锁定脚本，以满足不同的交易需求，例如：
- Pay-to-Script Hash (P2SH): 允许将复杂的脚本通过哈希运算简化为一个地址。P2SH 脚本将实际的锁定逻辑隐藏在脚本哈希中，只有在花费该输出时，才需要提供完整的脚本。这降低了交易输出的大小，并减轻了发送方的负担，同时也提升了交易的隐私性。
- Multi-Signature (MultiSig): 需要多个签名才能花费交易输出，从而提高了资金的安全性。MultiSig 脚本可以设定需要 N 个签名才能解锁，其中 N 小于或等于参与者的总数 M。这种机制常用于团队或组织共享资金管理，防止单点故障。
- Timelock: 规定交易输出只有在满足特定的时间条件后才能被花费。比特币支持两种主要的 Timelock 机制：CheckLockTimeVerify (CLTV) 和 CheckSequenceVerify (CSV)。CLTV 允许指定一个绝对的时间（Unix 时间戳）或区块高度，只有当当前区块的高度大于等于指定的高度，交易才能生效。CSV 则基于相对时间锁，允许指定一个相对的时间段，交易只有在一定数量的区块确认后才能生效。Timelock 常用于创建定期支付、合约到期以及在特定时间点释放资金等场景。
交易的广播和确认
一旦交易在钱包或其他客户端中被创建并使用私钥签名，它就准备好被广播到比特币网络。广播的过程是将交易数据发送到网络中的多个节点。这些节点接收到交易后，会进行初步验证，例如检查交易的语法正确性、签名有效性、以及是否存在双重支付。如果验证通过，节点会将交易转发给其连接的其他节点，这一过程会持续进行，直到整个比特币网络中的大部分节点都收到了该交易。这个过程也称为交易的传播，确保交易信息能够迅速扩散到整个网络，为矿工打包交易提供基础。
矿工的角色是收集网络中未确认的交易，并将这些交易打包成一个候选区块。为了使这个候选区块成为区块链上有效的新区块，矿工需要进行一项计算密集型的工作，即解决一个基于密码学原理的复杂数学难题，通常被称为工作量证明（Proof-of-Work，PoW）。这个难题的本质是寻找一个特定的哈希值，使得该哈希值满足一定的难度要求。矿工需要不断尝试不同的随机数（Nonce）来计算区块头的哈希值，直到找到符合条件的Nonce。一旦矿工找到了一个有效的解决方案，也就是找到了符合难度要求的Nonce，他们就成功创建了一个新的区块。这个区块会被添加到区块链的末端，并且该区块中的所有交易都会被标记为已确认。
随着新的区块不断被添加到区块链，先前区块中的交易获得的确认数也会随之增加。每个新的区块都相当于对之前区块中的交易进行了一次“背书”。比特币网络普遍接受的建议是，等待至少6个区块的确认，才能认为一笔交易足够安全，基本可以视为不可逆转。这是因为，即使出现恶意攻击者试图篡改区块链，他们需要花费巨大的计算资源和时间才能追赶上并超越当前最长的区块链，从而实现双重支付。等待6个确认，可以显著降低攻击成功的概率，保障交易的安全性。当然，对于一些价值较小的交易，可以根据实际情况适当降低确认数的要求。
隔离见证 (SegWit)
隔离见证 (SegWit) 是比特币协议的一项关键升级，旨在解决长期存在的交易延展性问题，同时显著提升区块链的区块容量。这项升级的核心在于将交易签名数据从交易的输入部分分离出来，并将其存储在一个独立的、被称为“见证”的结构中。这种分离不仅优化了区块结构，也为后续的协议改进奠定了基础。
SegWit 的主要优势体现在以下几个方面：
- 解决了交易延展性问题: 交易延展性是指交易哈希值可能在交易未经确认之前被篡改的漏洞。SegWit 通过将签名数据与交易哈希计算分离，使得交易哈希不再依赖于签名数据，从而消除了攻击者通过恶意修改签名来改变交易哈希的风险。这增强了比特币网络的安全性，防止了潜在的欺诈行为。
- 提高了区块容量: SegWit 引入了一种新的区块权重计算方式，更有效地利用了区块空间。通过将签名数据从主区块中移除，释放了更多的空间，从而允许在每个区块中包含更多的交易数据。这种改进显著提高了区块链的交易吞吐量，使得比特币网络能够处理更多的交易，缓解了交易拥堵的问题。实际上，SegWit并没有简单地增加区块大小的上限，而是优化了数据的存储方式，使得区块可以容纳更多有效信息。
- 为闪电网络等二层解决方案铺平了道路: SegWit 是构建闪电网络等二层解决方案的必要前提。它为闪电网络提供了一种安全的交易确认机制，使得在链下进行快速、低成本的交易成为可能。通过 SegWit 提供的安全保障，用户可以在闪电网络上安全地进行微支付和高频交易，而无需担心交易被篡改或取消。这极大地扩展了比特币的应用场景，并提升了其作为一种支付手段的实用性。
