bitcoin轻钱包之SPV验证

SPV验证

在bitcoin中被首次使用，本文就针对bitcoin中的SPV验证来介绍。

区块结构

• 区块头header+区块体body
• 区块头：版本号、随机数、挖矿难度、前一个区块头的哈希、Merkle根（交易列表计算而成的）
• 区块体：交易列表

轻客户端

全节点（ Full Node ）和轻客户端（ Thin Client )：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。目前（2022年中），bitcoin所有区块大小总和已经达到几百G，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 要解决的就是使用轻客户端交易时的支付确认问题。

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。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的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：

1、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。

2、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。

3、这样，轻节点接收到这个局部的 Merkle 树之后，在自己本地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。

总结来说，轻节点想要确认本地保存的某交易，是否被打包进区块链，需要触发SPV验证过程，过程如下：

1. 轻节点向邻近所有全节点发送SPV确认请求request
2. 全节点在区块链中搜索request中包含的交易t所在区块b
3. 全节点计算区块b的Merkle树
4. 全节点发送部分Merkle树给轻节点
5. 轻节点根据这部分树和t计算出来一个Merkle根root1
6. 轻节点比较root1和本地保存的区块头中的merkle根，若相同说明t已经被包含在区块链中

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。反馈一个假的，不可能骗到用户，因为和用户本地的merkle root根本不会一样。想要伪造成功，就是去碰撞 sha256 算法，这是计算不可能实现的。

SPV 有什么用处？

首先一个用处就是实现钱包软件。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bitcoin的侧链开发出的 RootStock ，可以基于bitcoin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

第一，区块由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bitcoin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。