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SPV、SPV节点和SPV钱包 (初稿)

一、什么是SPV

SPV是 “Simplified Payment Verification”(简单支付验证) 的缩写。中本聪论文简要地提及了这一概念,指出:不运行完全节点也可验证支付,用户只需要保存所有的block header就可以了。用户虽然不能自己验证交易,但如果能够从区块链的某处找到相符的交易,他就可以知道网络已经认可了这笔交易,而且得到了网络的多少个确认。

按照中本聪的原文,这里有个细节需要注意,SPV指的是“支付验证“,而不是“交易验证”。这两种验证有很大区别。
"交易验证”非常复杂,涉及到验证是否有足够余额可供支出、是否存在双花、脚本能否通过等等,通常由运行完全节点的矿工来完成。
“支付验证”则比较简单,只判断用于“支付”的那笔交易是否已经被验证过,并得到了多少的算力保护(多少确认数)。

考虑这样一种情况,A收到来自B的一个通知,B声称他已经从某某账户中汇款一定数额的钱给了A。去中心方式下,没有任何人能证明B的可靠。接到这一通知,A如何能判断B所说的是真的呢?
在比特币系统中,这一通知是以一个固定格式的“交易"来实现的,该交易中包含B的汇款账户、B的签名、汇给A的金额以及A的地址。
如果A想本人亲自验证这笔交易,首先,A要遍历区块链账本,定位到B的账户上,这样才能查看B所给的账户上是否曾经有足够的金额;接下来,A要遍历后续的所有账本,看B是否已经支出了这个账户上的钱给别人(是否存在双花欺骗);然后还要验证脚本来判断B是否拥有该账户的支配权。这一过程要求A必须得到完整的区块链才行。

但是,如果A只想知道这笔支付是否已经得到了验证(如果验证了就发货),他可以依赖比特币系统来快速验证。即,检查发生此项支付的那笔交易是否已经收录于区块链中,并得到了多少个确认。

原理:block header中有三个关键字段,一是prev_block_hash(前一区块的hash值,确保了区块链所记录的交易次序);二是bits(当前区块的计算难度), 三是merkle_root_hash(借助merkle tree算法,确保收录与区块中所有交易的真实性)。

验证某个交易是否真实存在时,理论上,用户可以通过以下方式进行验证:

  1. 从网络上获取并保存最长链的所有block header至本地;
  2. 计算该交易的hash值tx_hash;
  3. 定位到包含该tx_hash所在的区块,验证block header是否包含在已知的最长链中;
  4. 从区块中获取构建merkle tree所需的hash值;
  5. 根据这些hash值计算merkle_root_hash;
  6. 若计算结果与block header中的merkle_root_hash相等,则交易真实存在。
  7. 根据该block header所处的位置,确定该交易已经得到多少个确认。

优点:极大地节省存储空间。减轻终端用户的负担。无论未来的交易量有多大,block header的大小始终不变,只有80字节。按照每小时6个的出块速度,每年产出52560个区块。当只保存block header时,每年新增的存储需求约为4兆字节,100年后累计的存储需求仅为400兆,即使用户使用的是最低端的设备,正常情况下也完全能够负载。

问题:如何才能通过tx_hash定位到该交易所在的区块? 以往的比特币协议中缺少对此的支持。

二、比特币钱包

在进一步讨论SPV的实现之前,先要说明一下比特币的钱存放的是什么,钱包和私钥之间是什么关系?

比特币钱包

既然用到“钱包”一词,那么应该与我们日常生活中使用的钱包有一定的相似之处。为了更直观说明,我们与日常生活中所使用的钱包做一下对比。
日常生活中里面存放的可能是纸币、支票、印鉴等等(为了简化说明,我们把银行卡排除在外,使用银行卡涉及到很多中间环节,增加表述上的复杂度)。
用纸币购物时,

  1. 从钱包中凑足若干张不同面值的纸币,计算总面值是否大于所需金额以及应找回多少零钱;
  2. 将这些纸币直接交给卖方;
  3. 卖方验证这些纸币的真伪;
  4. 卖方计算这些纸币的面值是否大于或等于商品价格,并找回相应的零钱。
  5. 将收到的零钱放回钱包。

比特币的钱包里存放的相当于是一张张标有面值的“一次性支票”和对应的“印鉴”。支付时,

  1. 用户从钱包中取出若干张“一次性支票”,自己计算总面值是否大于所需金额以及应找回多少零钱,注意要扣除比特币系统所收取的手续费;
  2. 给卖方开一张支票,注明卖方地址和支付金额;如果需要找零,给自己开一张找零支票(写上自己的地址和找零金额);
  3. 在每张从钱包中取出的支票上加盖对应的印鉴,确认支付权;
  4. 将这些票据提交给比特币系统,比特币系统验证支票的真伪和支付是否有效。
  5. 若比特币系统验证通过,收款方将收到的支票放入钱包。用户则将自己钱包中的已支付的支票丢弃(这些支票已经被比特币系统视为无效了,无法继续使用),

即使是刚接触比特币的人,估计也能猜出“印鉴”指的是“私钥”。但“一次性支票”是什么?
比特币系统中,这种“一次性支票”的术语是UTXO,全称是Unspent Transaction Outputs(未花费的交易输出)。区块链是一个收录所有历史交易(Transaction)的总帐,每个区块(block)中包含若干笔交易记录。
每个交易记录由两部分构成:资金来源(可以有多个来源)和资金去向(可以有多个去向),术语为Tx_in(交易输入)和Tx_out(交易输出)。也就是说,每笔交易TX包含有若干个Tx_in和若干个Tx_out。

除创世区块中的交易(genesis block)外,每笔交易必须要有资金来源。资金来源有两种,一种是挖矿奖励(依照固定算法实现的货币发行),出现在每个block的第一笔交易中;另一种是先前的交易中未曾使用的某个Tx_out(交易输出),即UTXO。支出方要出示证据来证明自己对该Tx_out拥有所有权,而比特币系统则要验证该Tx_out是否真的未被花费(是否是UTXO)以及支出方是否有权将其花费。

资金去向(TX_out)包含两个部分,一是传递的金额,二是支配权(谁可以动用)。取款权通过比特币的脚本系统来实现。若收款方地址是以1开头的普通地址,则脚本中会包含地址所对应公钥的hash值(hash160),动用款项时一般需要用对应的私钥进行签名;若收款方地址是以3开头的多重签名地址,则脚本中会包含某个特定脚本的hash值(hash160),动用款项时,一般需要依照特定的脚本,用多个私钥来签名。

用户钱包中的比特币实际上是用户拥有支配权的、且尚未花费的Tx_out中记录的金额总和,即用户可支配的所有UTXO金额之和。

完整的钱包中应存有若干个UTXO和支配每个UTXO时所对应的私钥。当然,有时从安全角度出发,可能会把钱包划分为两个部分,在线钱包中只有UTXO,而离线钱包只存私钥。

但是,用户怎么才能把自己的所有UTXO都放到钱包中呢?

三、用户如何收录自己的UTXO

(一)去中心化方式:

实现方法

  1. 在本地建立一个用于存储UTXO的数据库;
  2. 设置区块扫描起始点(区块链上的扫描起始高度),从该点开始,依次下载该点之后所有区块(block)的完整数据。
  3. 解析每个block的所有TX数据,依次读取每个Tx_in的prev_Tx_out([tx hash] + [tx_out的序号]),检索UTXO数据库中是否存在这个Tx_out,如果有,则从UTXO数据库中删除(或标记删除)。
  4. 依次解析每个Tx_out的脚本,若与用户相关,则将[tx hash] + [Tx_out的序号]以及整个tx_out的内容记录到UTXO数据库;

备注:如果钱包中只有新创建的私钥,可以从最新的区块开始扫描(由于私钥发生碰撞的可能性可以视为0,在你告知他人比特币地址之前,该私钥对应的地址上不会有任何收入)

优点:不依赖于信任;数据准确。
缺点:速度慢,需要从比特币网络下载大量数据,对网络造成的压力大。

(二)中心化方式:

  1. 某个中心化机构(或个人)运行完整的比特币节点,建立一个收录所有UTXO的数据库。
  2. 用户用中心化机构提供的api来请求与自己有关的UTXO数据。

优点:速度快,不拖累比特币网络;
缺点:依赖于信任;数据不一定准确(有可能中心化服务器出现故障,或是与中心服务器的会话被劫持,数据遭篡改)

四、瘦客户端、SPV轻钱包和SPV节点是什么?

瘦客户端:参考了SPV的机制,在监听收款地址时,客户端在本地只需保存与用户可支配交易相关的数据。因为本地没有完整的区块链,缺少发送方的相关数据,客户端无法亲自验证交易是否合法,只能判断交易是否是被收录,并且得到了几个确认。这与SPV有很多相似之处,因而很多场合下这种瘦客户端也常被成为是“SPV客户端”,不过,与SPV的区别是,在去中心化方式下,这些客户端仍需下载每个新区块的全部数据并进行解析,只是无需在本地保存全部数据而已。

“轻钱包” 是用瘦客户端模式实现的钱包,因为不存储完整区块链,就涉及到如何获取UTXO的问题。不同的开发者可能有各自的实现方法,但从效率上考虑,往往多用中心化的方式来实现。

SPV节点:支持使用布隆过滤器(Bloom filter)在快速检索并返回相关数据的节点。这样的节点可以为去中心化方式SPV查询提供必要的支持。
SPV在实现上涉及到一个问题,如何才能通过tx_hash来定位到该支付交易所在的区块?用中心化方式来实现很好解决,但用去中心化就不那么简单了,因为以往的比特币系统协议中缺少对SPV的支持。原有协议中,可以通过getheaders命令来获取block headers,可以通过getdata命令支持获取指定的block, 但不支持通过tx_hash反向查找所在的block。为了定位block,客户端往往不得不下载整个区块链。Bloom filter解决了客户端检索的问题,原理是Bloom filter可以快速判断出某检索值一定不存在于某个指定的集合,从而可以过滤掉大量无关数据,减少客户端不必要的下载量。

前文提到,SPV的用途是验证某个支付是否确实存在,并得到多少个确认。而钱包的用途则是用于管理自己的资产以及进行支付。简言之,SPV的应用场合往往是为发货做准备(知道钱到帐了),“轻钱包”的应用场合往往是数钱或花钱。虽然“轻钱包”中部分借鉴了SPV的机制,但和SPV是完全不用的应用方向,直接把这两个词连起略显牵强。这种钱包要么采用中心化的方式——提高了效率,但引入了信任的风险;要么采用去中心化方式——无需信任,但效率低,且增加网络的负担。

SPV节点的出现使以去中心化方式来实现高效、低负荷的“轻钱包”成为了可能。笔者认为将基于SPV节点来实现的"轻钱包"简称为“SPV轻钱包”可能会更为合适些。


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转载自:SPV、SPV节点和SPV钱包 (初稿)