原文鏈接： https://bitcoin.org/en/developer-guide#block-chain
翻譯：terryc007
版本： 1.0
比特幣開發指南
比特幣開發指南主要是為你提供一些必要的信息，方面你理解比特幣，以及基于比特幣來開發一些應用程序。 但它并不是關于比特幣的說明書。 為了更好的使用本開發指南，你可以安裝當前比特幣核內核源碼，或者編譯好的比特幣內核客戶端。
有關比特幣開發的問題，最好去比特幣開發社區提問。 在Bitcoin.org上，有關文檔的錯誤或建議，可作為一個問題提交，或在比特幣文檔郵件列表發貼。
在下面的開發文檔，有一些文字會被省略或隱藏起來： "[…]" 表示額外的數據已被刪掉，行尾帶有""符號，表示下面部分還是該行內容。如果你移動鼠標停在段落時，帶有交叉引用鏈接的文字會變成藍色。如果你把鼠標停在帶有交叉引用鏈接的術語上，會顯示這個術語的簡要提示信息。
區塊鏈
區塊鏈提供了比特幣公共賬簿，里面包含了有序的，帶有時間戳的交易記錄。區塊鏈系統被用來防止雙發，防止之前的交易記錄被篡改。
在比特幣網絡，每個全節點，各自獨立的保存了一份區塊鏈，該區塊鏈中包含僅由自己驗證的區塊數據。當節點的區塊鏈中，都有相同的區塊時，他們被認為有一致的共識。這些被用節點來維持共識的驗證規則叫做共識規則。 本節會介紹很多在比特幣內核中用到共識規則。
區塊鏈概要
上面的插圖是個簡易版區塊鏈。一條或多條新的交易記錄被收集到區塊中，用于存放交易數據的地方。為每條交易生成哈希值，然后哈希值兩兩配對，再生成哈希值， 然后再對之前的生成的哈希值兩兩配對，再生成哈希，直到只剩下一個哈希值，最后這個哈希值就是默克樹根。
默克爾樹根被存放在區塊頭。每個區塊會存放前一個區塊頭的哈希值，這樣把所有的區塊串聯起來，便成了區塊鏈。 這就保證了，在不修改交易所在的區塊，以及該區塊后續所有區塊前提下，交易是不能被篡改的。
交易記錄也會被串聯在一起。比特幣錢包給我們一個直觀的印象是：satoshis（比特幣最少的單位 1btc = 100,000,000 satoshis）在錢包之間來回發送，但實際上比特幣是從一個交易到另外一個交易的轉移。 每個交易會花之前一個或多個交易的satoshis，所以一個交易的輸入就是前一個交易的輸出。
一個交易可以創建多個輸出，就如同當發送到多個地址，但在區塊鏈中，每個特定的交易輸出只能被交易輸入使用一次。任何后續的引用都是一個禁止的雙發 — 試圖使用兩次satoshis。
交易輸出會跟交易id（TXIDS）綁定在一起，所謂的交易id就是交易的哈希值。
因為每個特定交易的輸出只能被使用一次，區塊鏈中所有的交易的輸出可以被歸類為： 未使用交易輸出（UTXOs）或者 發費交易輸出。對于一個有效的支付，它必須且只能使用UTXOs作為輸入。
除coinbase類型交易（區塊中的第一個交易，通常被礦工創建，用來認領挖礦獎勵，以及提供100個字節的空間，可存放任何數據）外，如果一個交易的輸出值大于它的輸入值，交易將會被拒絕。 但是如果交易輸入值大于交易輸出值，其中的差額就是交易費用，用于支付比特幣礦工（他們負責創建包含交易的區塊）。比如，在上面的圖示中，每個交易交易費用少于交易輸入總和，實際上支付了10000 satoshis。
工作量證明
網絡中的匿名節點一起協作來維持區塊鏈，因此比特幣在創建區塊時，需要一個有效數量的工作證明，以確保試圖修改歷史區塊的不可信節點，比起可信的節點付出更多的工作量。
把區塊串聯起來，在不修改當前區塊以及后續所有區塊情況下，使得修改任何區塊中的交易變的不可能。因此，每增加一個新的區塊到區塊鏈上，就會增加修改一個特定區塊的成本，也就放大了工作量證明的效果。
比特幣中使用的工作量證明利用了密碼學哈希中的自然隨機。一個好的加密哈希算法可把任意數據轉化成看似隨機的數字。如果數據修改，不管任何方式，當重新計算數據的哈希值時，會產生一個新的隨機數，因此沒有任何方法在修改數據之后，可以預測其哈希值。
為了證明你為創建區塊而做了一些工作，你必須生成一個區塊頭的哈希值，該哈希值不能超過一個特定的值。比如，如果最大的哈希值是2256-1 , 你可通過生成一個小于2255的哈希值來證明你嘗試了兩種組合。[?]
在上面的例子中，你生成一個符合要求的哈希值所做的每次嘗試在概率上是相同的。 甚至可以估算出一次哈希計算嘗試能生成一個小于特哈希值的概率。比特幣采用的是線性概率 ， 即哈希目標值越小，就需要越多的哈希計算嘗試。
新區塊只有其生成的哈希值，符合共識協議所預期的難度值，才能被加入到區塊鏈中。 每2016個區塊，比特幣網絡使用保存在區塊頭中的時間戳，來計算從生成第一個區塊到第2016個區塊所經歷的時間（秒）。這實際的值是 1209600秒（兩個星期）。
如果生成2016個區塊所用的時間少于2個星期，那么生成下2016個區塊時，在同一算力的情況下，為保證2016個區塊生成所需的時間，恰好是2個星期，那么預期的難度值會按比例提升（差不多300%）。
如果生成2016個區塊所用的時間多于2個星期，同理，其預期難度會按比例下調（大約75%）。
（注意：在比特幣內核實現中，一個單個偏移的錯誤導致難度的更新從僅需2015個區塊變成了2016個區塊，這了導致了一點偏移）[?]。
因為每個區塊頭在生成哈希值時，必須要小于目標閥值，同時每個區塊要跟它之前的區塊鏈接起來，要在整個比特幣網絡中廣播修改過的區塊，平均上講，它就需要消耗：從被修改的區塊其創建時間起，到當前時間之間所有區塊需要的算力。 只有你掌握了大量的哈希算力，你才能可靠的執行51算力攻擊（然而需要注意的是，即使是低于50%的哈希算力， 也是有可能成功的實施這樣的攻擊）。
區塊頭提供了好幾個易于修改的字段，比如一個專用的臨時字段，這樣可以在不需要等待新的交易，就可以獲得新的哈希值。[?] 同樣，用于工作量證明時，只需對只有80個字節的區塊頭計算哈希值就可以，所以在區塊中大量的交易數據并不會降低計算哈希值的速度，而只是增加了一些額外的交易數據，需要重新計算默克樹中的父節點哈希值。
區塊高度和分叉
任何比特幣礦工可以把整個區塊加入到區塊鏈中，只要它生成的區塊頭哈希值低于目標閥值。這些區塊通過區塊高度來尋址。所謂的區塊高度 - 指的是當前區塊到第一個比特幣區塊（通常也叫創世塊）之間區塊的個數。比如，區塊高度為2016的區塊，就是第一次難度調節后的區塊。
多個區塊可以同時有相同的區塊高度，因為當二個或多個礦工在同一時間產出一個區塊是很常見的。這會在區塊鏈創建一個明顯的分叉，如下圖所示。
當礦工在區塊鏈末端同時產出多個區塊時，每個節點會各自接受區塊。在不考慮其他節點的情況下，節點通常會選擇他們第一次看到的區塊，下面我們會討論。
最終，每個礦工會產出另外一個區塊，它會被添加到具有并發競爭挖取的區塊鏈中[?]。這使得分叉鏈比其他側鏈難度更大。假如一個分叉僅包含有效的區塊，普通的節點通常會基于難度最大的鏈進行重建區塊鏈，同時會剔除掉屬于較短鏈上的陳腐區塊（有時候也叫孤塊，但是孤塊，也用來表示那些沒有父區塊的區塊。）。
陳腐區塊
就是那些不在難度最大的區塊鏈上，而在其他分叉側鏈上的區塊，有時候也叫孤塊，但是也指那些還沒有被本地節點處理的，沒有父區塊的區塊。
很長的分叉是有可能的。 比如不同的礦工為不同的目的而工作，比如一些礦工勤懇的擴展區塊鏈，同時，其他的礦工企圖通過實施51%算力攻擊修改交易記錄。
在一個分叉鏈上，因為多個區塊可能其區塊高度是一樣的，因此，區塊高度不能用于全局唯一標識。而是，通過區塊的區塊頭的哈希值（16進制，反字節序）來引用區塊。
交易數據
每個區塊必須包含一個，或多個交易。第一個交易必須是coinbase交易。也叫創世交易。它用來接收，消費區塊獎勵（包括挖出一個區塊的補貼，以及該區塊內所有交易支付的交易費用）。
創世交易的UTXO有一個特定的條款，就是少于100個區塊確認，它是不能被發掉的（即不能做為其他交易的輸入）。這可暫時防止礦工發掉從區塊獲取的區塊獎勵，因為在一個分叉的鏈上，礦工挖出的區塊有可能以后被認定為是孤塊。
區塊并不要求包含任何非coinbase交易，但是礦工為了獲得他們的交易費用，他們幾乎總是會往區塊中加一些額外的交易。
所以的交易，包括coinbase交易，會以二進制源交易[?]格式編碼存儲到區塊中。
通過對源交易格式進行哈希來生成交易id（txid）. 對于這些交易id，通過對txid兩兩配對，讓后對他們進行哈希計算，來構建默克爾樹。如果是個奇數個交易id，則跟自己配對來實現兩兩配對，再進行哈希計算。
這些哈希計算結果（即哈希值）讓后又兩兩配對，再計算哈希值。任何哈希值如果沒有配對的，就跟自己配對，再計算哈希值。這個過程會不斷的重復，直到只剩下一個哈希值。這個值就是默克樹根。
比如，如果交易不做哈希處理，那么5個交易的默克爾樹看起來如下圖所示：
ABCDEEEE .......Merkle root
/ \
ABCD EEEE
/ \ /
AB CD EE .......E is paired with itself
/ \ / \ /
A B C D E .........Transactions
如簡化支付認證（SPV）段落中所討論的，通過區塊頭中的默克爾樹根，以及從一個全節點中獲取的，一個中間哈希值列表[?]，默克爾樹允許客戶端根自己驗證一個交易是否在一個區塊中。全節點不必是可信的，因為偽造區塊頭的成本很高，同時中間哈希值列表是不能偽造的，否則驗證會失敗。
比如，要驗證交易D是否已被加入區塊中，一個SPV客戶端僅需要交易C,AB,EEEE的哈希值，以及區塊的默克爾樹根；客戶端不需要知道其他任何交易。在這個區塊中，假如按這個5個交易所占最大的大小來算，下載這整個區塊需要大約500,000字節 - 但是下載3個哈希值，再加上區塊頭僅需要140字節。
注意： 如果在同一個區塊中發現相同的交易id，默克爾樹可能會跟區塊發生沖突, 會導致一些或者全部交易id被刪掉去，這取決于非平衡默克爾樹[?]是如何實現的(復制孤立的哈希值)。 因為不同交易有相同的交易id是不可能的，這對于那些忠實的軟件不是一個負擔，但是如果一個區塊的無效狀態被緩存，那么必須要對該區塊進行檢查；否則，一個去除重復交易id的有效區塊本可以有相同的默克爾樹根，區塊哈希值，但因緩存的無效的區塊狀態，會導致安全bug（比如）CVE-2012-2459， 而使得區塊被拒絕掉。
共識規則改變
為維持共識，所以的全節點使用同樣的共識規則來驗證區塊。然而，有時候為了引進新的功能以防止比特幣網的濫用，就需要對共識規則進行改變。當新的共識規則被實施后，非升級節點會繼續遵循久的共識規則，升級節點遵循新的共識規則，這種情況可能會持續一段時間，這樣會導致兩種不同的共識。
遵循新共識規則的區塊被升級節點接受，但非升級節點會拒絕接受。比如，一個的交易功能在被區塊使用： 升級節點知道這個功能并接受它，而非升級節點因其他違反老的共識規則而拒絕接受它。
違反新的共識規則的區塊被升級節點拒絕，但被非升級節點接受。比如，一個濫用的交易功能在區塊中使用：升級節點會拒絕它，因為它違反了新的共識規則，而非升級節點則接受它，因為它遵守了老的共識規則。
在第一種情況，非升級節點拒絕接受，那些從非升級節點獲取區塊數據的挖礦軟件，拒絕構建跟那些從升級節點獲取區塊數據的挖礦軟件同樣的區塊鏈。這會創建永久的分叉 — 一個非升級節點所在的鏈，一個升級節點所在的鏈 — 這也叫做硬分叉。
在第二種情況，區塊被升級節點拒絕接受，如果升級節點控制了絕大部分哈希算力，那么避免硬分叉是有可能的。這是因為，在這種情況，非升級節點會接受所有升級節點中有效的區塊，因此升級節點能構建更為健壯的區塊鏈，而非升級節點會接受這條鏈是最好的有效鏈。 這叫做軟分叉。
雖然分叉在區塊鏈中是一個真實的分歧，但是修改共識規則通常使用創建一個硬分叉或軟分叉來描述。比如，“增加區塊大小到1MB以上需要一個硬分叉”，在這個例子中，是個實際的區塊鏈分叉是不需要的 — 但是這是一個可能的方案。
共識規則的改變可以通過各種方式來激活。在比特幣的頭兩年，中本聰就通過執行過好幾次軟分叉，他通過發布向后兼容的共識規則更改的客戶端，使得這些客戶端立即執行新的共識規則。很多的軟分叉，如BIP30 ，是通過一個標志日期來激活。就是說新的共識規則在預定的時間或者區塊高度被強制激活。像這種通過標志日期來激活的分叉被稱之為用戶激活軟分叉（UASF）。因為在標志日期后，這些分叉要依賴一些有效的用戶（節點）去執行新的共識規則。
后來，軟叉需要等待大部分哈希算力（通常75%或95%）發出他們已準備好執行新的共識規則的信號。一旦超過所需信號的閾值，所以的節點就會執行新的共識規則。這樣的分叉被稱之為礦工激活軟分叉（MASF）,因為分叉依賴礦工去激活。
資源： BIP16, BIP30, BIP34 是通過共識規則的改變來實施的，導致了軟分叉。 BIP50 導致了一個意外的硬分叉，后來通過臨時降級升級節點的能力，以及當臨時的降級被移除后，通過一個有意的硬分叉來解決這個問題。這有一個來自Gavin Andresen，有關未來共識規則改變如何實施的文檔。
檢測分叉
在上面兩種分叉中，非升級節點可以使用，發送不正確的信息，會創建好幾個情況導致財產損失。實際上，非升級節點可以轉發，接受那些被升級節點認為無效的交易。這些交易永遠不會成為全局公認的最佳區塊鏈中的一部分。非升級節點也可以拒絕轉發那些已經添加，或即將添加到最佳區塊鏈中的區塊，交易，這樣就可以提供不完整的信息。
比特幣內核里有通過查看區塊鏈工作量證明實現檢測硬分叉的代碼。如果非升級節點收到一些區塊頭，這些區塊頭里面至少有6個區塊可以證明，新區塊所在的區塊鏈的工作量，比起該節點認為的最佳區塊鏈上的工作量還要多的話，則該節點會在getnetworkinfo RPC結果中報告一個警告，同時，會運行 -alertnotify 命令，如果有設置的話。這會警告運營者非升級節點不能切換到很有可能是最佳的區塊鏈上。
全節點也能檢查區塊，交易的版本號。如果最近的區塊的區塊版本號或交易版本號，比改節點用的區塊的版本號要高，它就會認為它沒有使用當前的共識規則。比特幣內核會通過getnetworkinfo RPC 來報告這個情況，以及運行-alertnotify命令，如果有設置的話。
不論哪種情況，如果區塊，交易數據明顯來自一個沒有使用當前共識協議的節點，區塊，交易數據就不應該被轉發。
SPV客戶端會跟全節點鏈接起來，通過鏈接多個全節點，同時保證這些全節點在同一區塊鏈的同一個區塊高度，考慮到交易延遲，陳腐區塊，可加或減掉幾個區塊，就可以檢測可能的硬分叉。如果有分叉，SPV客戶端可以斷掉那些在更弱鏈上節點間的連接。
SPV客戶端也應監控區塊，交易版本號的增加，這樣可以保證SPV客戶端去處理接收到的交易，并使用新的共識規則創建新的交易。
聲明：
文中帶有[?]的地方，表示我對此翻譯明顯感覺不太對的，后續會不斷修正。
初次翻譯，可能會有些地方翻譯的不好，不地道，甚至錯誤，如果有發現，還請留言，指出，以便我好修正，謝謝！
