SPV ,“简单支付验证“,是中本聪在比特币白皮书里面专门介绍的概念,本身其实很简单,但是要事先对区块结构,Merkle Tree 和哈希的概念有理解。Merkle Tree 和哈希这两个概念,之前 Peter 分别写文章介绍过了,所以本文中默认你已经掌握了,但是对区块结构我们还是会详细介绍的。

区块结构

所以我们先来看看区块结构,这是理解 SPV 的基础。

一个区块主要由两部分组成,一个是“区块头”( Block Headers ),一个是“区块体”( Block Body ) 。区块头中包含的是关于本区块的一些信息,例如版本号,随机数,挖矿难度等等,其中“前一个区块的哈希”这个是比较有意思的,因为各个区块就是靠这个信息连成一条链的。注意,这里的前一个区块的哈希,其实不是把整个区块数据拿出来算哈希,而只是区块头的哈希。

区块头中另外一项,Merkle 根,是我们更加感兴趣的一个参数。有 Merkle 根,必定对应一个 Merkle 树,必定对应着很多个小数据。没错,每一个小数据就都是一个交易。每个区块中一般都会包含2000多个交易,这些交易的数据并不在区块头中,而是保存在区块体中。注意,区块体中的并没有保存 Merkle 树,区块头中也没有,所以每次如果用到 Markle 树,需要重新运算一下。运算出来的 Merkle 根,就是最终被保存到区块头中的 Merkle 根。

理解了区块结构,就可以理解全节点( Full Node )和轻客户端( Thin Client ) 的区别了。全节点是一个程序,例如中本聪自己写的 Bitcoin Coin ,这个程序运行起来之后,会把整条区块链都下载到本地。比特币的区块数据估计到18年底会到达173G ,不算太大,但是要在手机上跑全节点基本是不可能的。所以有轻客户端的概念,例如 Electrum 就是个轻客户端。轻客户端可以安装在电脑上也可以安装在手机上,为啥呢?因为轻客户端只会去下载区块头,每个区块头只有80K,所以一条区块头组成的链,只有几十兆。

SPV 就是一个在轻客户端环境下,验证交易有效性的过程。

SPV 验证过程

安装全节点,很多时候是因为我们要挖矿。而安装轻客户端,通常就是把它当成一个钱包软件用。SPV 要解决的就是在轻客户端条件下的支付确认问题。

钱包当然就是用来负责当前账户的转入和转出操作的。先说转出,轻客户端能构建交易,并且签名交易,再广播到全网,这就是转出操作了。再说转入,网上交易很多,但是轻客户端只会去下载跟自己的账户相关的交易。那么不管是转入还是转出交易,下载到轻客户端本地都是相对孤立的交易,因为本地没有保存区块体。那么如何去验证交易生效了呢?这就是 SPV 要解决的问题。我们知道,一个交易在区块链上生效,意味着要满足两个条件:一个是交易已经被打包到了某个区块中,另外一个是这个区块之上又继续打包了5个区块,也就是所谓的要六次确认。

但是,毕竟轻客户端这里是没有保存任何交易的,所以一个独立的交易拿出来,要确定它属于哪个区块也是不可能的。这时候轻客户端需要发起 SPV 过程。首先,轻客户端要发起一个专门的确认请求,把这个交易广播给网络上邻近的全节点。全节点收到交易后,会去搜索这个交易属于哪个区块,然后会运算这个区块的 Merkle Tree 。这时, Merkle Tree 最大的优势现在就发挥出来了,因为要确认一个交易是不是从属于一个 Merkle 根,是不需要把整个 Merkle Tree 都发送给轻节点的,而只需要发送跟当前交易相关的部分 Merkle 树即可。这样,轻节点接收到这个部分 Merkle 树之后,在自己本地在运算一下这个交易的哈希,然后根据部分 Merkle 树上的各个哈希值,一路运算获得 Merkle 根,如果这个值跟自己的区块头中的正好吻合,交易验证就成功了。

所以整个 SPV 过程是靠全节点帮忙去验证交易的,轻节点自身不能验证交易,但是通过确认其他全节点都接受了这次交易,就间接完成了交易确认。但是,全节点有没有可能反馈一个假的 Merkle Tree 过来呢?答案是不可能。在 Merkle 验证中用一个伪造的交易哈希来得到一个已知的 Merkle 根是不可能的。比特币计算 Merkle 树哈希使用的是 sha256 算法,伪造就相当于去碰撞 sha256 算法了,这是根本不可能的。

SPV 有什么用处?

那么中本聪引入 SPV 技术到底有没有实际用途呢?

首先一个就是用来实现钱包软件。如果一个钱包软件想要安装在移动设备上,想要避免去下载一百多 G 的区块数据。那么就只有两个思路,一个是借助中心化服务器,让钱包去把信息先发送到服务器,然后由服务器去验证交易,这样的思路显然就偏中心化了。另外一个思路就是 SPV ,类似 Electrum 这样的钱包,就可以通过只下载区块头来验证交易,整个的数据量和计算量都是不大的,可以直接运行在低端设备上。所以很多轻客户端,也叫轻钱包,或者叫 SPV 钱包。

SPV 的另外一个用途就是实现侧链技术。侧链就是可以通过双向锚定来使用主链上的币的一条链,上面可以做出各种创新。例如基于比特币的侧链开发出的 RootStock ,可以基于比特币实现智能合约平台。而双向锚定过程,就依赖于 SPV 技术。

所以,虽然 SPV 在白皮书上所占的篇幅不大,但是实际中发挥的作用是非常大的。

总结

最后来总结一下,有这么几点 Peter 觉得是最重要的:第一,区块有区块头和区块体组成,区块头中的前一个区块的哈希,其实就是之前一个区块的区块头的哈希,所以单独下载区块头,也能得到一条链。第二,同样是比特币网络上的节点,却可以分成全节点和轻客户端两类,轻客户端就是只下载了区块头。第三,SPV 解决的就是在轻客户端中去确认单独一个交易的过程,总体思路是去相邻的全节点中去请求部分 Merkle 树信息,到本地验证通过,就证明其他的全节点都接受了这个交易。第四,SPV 是开发钱包软件和侧链的关键技术,意义非常重大。

参考: