热点问题

设计中的权衡

比特币的设计目标在于支持一套安全、开放、分布式的数字货币系统。围绕这一目标,比特币协议的设计中很多地方都体现了权衡(trade-off)的思想。

  • 区块容量:更大的区块容量可以带来更高的交易吞吐率,但会增加挖矿成本,带来中心化的风险,同时增大存储的代价。兼顾多方面的考虑,当前的区块容量上限设定为 1MB。

  • 出块间隔时间:更短的出块间隔可以缩短交易确认的时间,但也可能导致分叉增多,降低网络可用性。

  • 脚本支持程度:更强大的脚本指令集可以带来更多灵活性,但也会引入更多安全风险。

分叉

比特币协议不会一成不变。当需要修复漏洞、扩展功能或调整结构时,比特币需要在全网的配合下进行升级。升级通常涉及更改交易的数据结构或区块的数据结构。

由于分布在全球的节点不可能同时完成升级来遵循新的协议,因此比特币区块链在升级时可能发生分叉(Fork)。对于一次升级,如果把网络中升级了的节点称为新节点,未升级的节点称为旧节点,根据新旧节点相互兼容性上的区别,可分为软分叉(Soft Fork)和硬分叉(Hard Fork)。

  • 如果旧节点仍然能够验证接受新节点产生的交易和区块,则称为软分叉。旧节点可能不理解新节点产生的一部分数据,但不会拒绝。网络既向后和向前兼容,因此这类升级可以平稳进行。

  • 如果旧节点不接受新节点产生的交易和区块,则称为硬分叉。网络只向后兼容,不向前兼容。这类升级往往引起一段时间内新旧节点所认可的区块不同,分出两条链,直到旧节点升级完成。

尽管通过硬分叉升级区块链协议的难度大于软分叉,但软分叉能做的事情毕竟有限,一些大胆的改动只能通过硬分叉完成。

交易延展性

交易延展性(Transaction Malleablility)是比特币的一个设计缺陷。简单来讲,是指当交易发起者对交易签名(sign)之后,交易 ID 仍然可能被改变。

下面是一个比特币交易的例子。

{
"txid": "f200c37aa171e9687452a2c78f2537f134c307087001745edacb58304053db20",
"version": 1,
"locktime": 0,
"vin": [
{
"txid": "21f10dbfb0ff49e2853629517fa176dc00d943f203aae3511288a7dd89280ac2",
"vout": 0,
"scriptSig": {
"asm": "304402204f7fb0b1e0d154db27dbdeeeb8db7b7d3b887a33e712870503438d8be2d66a0102204782a2714215dc0d581e1d435b41bc6eced2c213c9ba0f993e7fcf468bb5d311[ALL] 025840d511c4bc6690916270a54a6e9290fab687f512c18eb2df0428fa69a26299",
"hex": "47304402204f7fb0b1e0d154db27dbdeeeb8db7b7d3b887a33e712870503438d8be2d66a0102204782a2714215dc0d581e1d435b41bc6eced2c213c9ba0f993e7fcf468bb5d3110121025840d511c4bc6690916270a54a6e9290fab687f512c18eb2df0428fa69a26299"
},
"sequence": 4294967295
}
],
"vout": [
{
"value": 0.00167995,
"n": 0,
"scriptPubKey": {
"asm": "OP_DUP OP_HASH160 7c4338dea7964947b3f0954f61ef40502fe8f791 OP_EQUALVERIFY OP_CHECKSIG",
"hex": "76a9147c4338dea7964947b3f0954f61ef40502fe8f79188ac",
"reqSigs": 1,
"type": "pubkeyhash",
"addresses": [
"1CL3KTtkN8KgHAeWMMWfG9CPL3o5FSMU4P"
]
}
}
]
}

发起者对交易的签名(scriptSig)位于交易的输入(vin)当中,属于交易内容的一部分。交易 ID(txid)是整个交易内容的 Hash 值。这就造成了一个问题:攻击者(尤其是签名方)可以通过改变 scriptSig 来改变 txid,而交易仍旧保持合法。例如,反转 ECDSA 签名过程中的 S 值,签名仍然合法,交易仍然能够被传播。

这种延展性攻击能改变交易 ID,但交易的输入和输出不会被改变,所以攻击者不会直接盗取比特币。这也是为什么这一问题能在比特币网络中存在如此之久,而仍未被根治。

然而,延展性攻击仍然会带来一些问题。比如,在原始交易未被确认之前广播 ID 改变了的交易可能误导相关方对交易状态的判断,甚至发动拒绝服务攻击;多重签名场景下,一个签名者有能力改变交易 ID,给其他签名者的资产带来潜在风险。同时,延展性问题也会阻碍闪电网络等比特币扩展方案的实施。

扩容之争

比特币当前将区块容量限制在 1MB 以下。如图所示,随着用户和交易量的增加,这一限制已逐渐不能满足比特币的交易需求,使得交易日益拥堵、交易手续费不断上涨。

日益增加的区块容量

关于比特币扩容的持续争论从 2015 年便已开始,期间有一系列方案被摆上台面,包括各种链上扩容提议、用侧链或闪电网络扩展比特币等。考虑到比特币复杂的社区环境,其扩容方案早已不是一方能说了算;而任何一个方案想让要达成广泛共识都比较困难,不同的方案之间也很难调和。

当前,扩容之争主要集中在两派:代表核心开发者的 Bitcoin Core 团队主推的隔离见证方案,和 Bitcoin Unlimited 团队推出的方案。

隔离见证方案

隔离见证(Segregated Witness,简称 SegWit)是指将交易中的签名部分从交易的输入中隔离出来,放到交易末尾的被称为见证(Witness)的字段当中。

对交易 ID 的计算将不再包含这一签名部分,所以这也是延展性问题的一种解法,给引入闪电网络等第二层协议增强了安全性。

同时,隔离见证会将区块容量上限理论上提高到 4MB。对隔离见证的描述可详见五个比特币改进协议(Bitcoin Improvement Proposal):BIP 141 ~ BIP 145。

Bitcoin Unlimited 方案

Bitcoin Unlimited 方案(简称 BU)是指扩展比特币客户端,使矿工可以自由配置他们想要生成和验证的区块的容量。

根据方案的设想,区块容量的上限会根据众多节点和矿工的配置进行自然收敛。Bitcoin Unlimited Improvement Proposal(BUIP) 001 中表述了这一对比特币客户端的拓展提议,该方案已获得一些大型矿池的支持和部署。

比特币的监管和追踪

比特币的匿名特性,使得对其交易进行监管并不容易。

不少非法分子利用这一点,通过比特币转移资金。例如 WannaCry 网络病毒向受害者勒索比特币,短短三天时间里传播并影响到全球 150 多个国家。尽管这些不恰当的行为与比特币项目自身并无直接关系,但都或多或少给比特币社区带来了负面影响。

实际上,认为通过比特币就可以实现完全匿名化并不现实。虽然交易账户自身是匿名的 Hash 地址,但一些研究成果(如《An analysis of anonymity in the bitcoin system》)表明,通过分析大量公开可得的交易记录,有很大概率可以追踪到比特币的实际转移路线,甚至可以追踪到真实用户。