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Block Validation

了解 Bitcoin Core 如何驗證區塊的完整流程，包括頭部檢查、交易驗證和共識規則。

15 分鐘

區塊驗證是 Bitcoin Core 的核心功能，確保每個區塊遵守共識規則。 驗證過程分為多個階段，從快速的頭部檢查到完整的腳本驗證。

驗證階段概覽

區塊驗證的四個階段:

1. 頭部驗證 (Header Validation)
   - 最快，只需 80 字節
   - 檢查 PoW、時間戳、版本
   - 可以並行處理

2. 上下文無關驗證 (Context-free)
   - 不需要 UTXO 集合
   - 檢查區塊大小、交易格式
   - 可以提前進行

3. 上下文相關驗證 (Contextual)
   - 需要 UTXO 集合
   - 檢查雙重支付、餘額
   - 必須按順序進行

4. 腳本驗證 (Script Validation)
   - 最慢，CPU 密集
   - 驗證所有簽名
   - 可以並行處理

頭部驗證

區塊頭 (80 bytes):
┌─────────────────────────────────────────┐
│ Version (4 bytes)                       │
│ Previous Block Hash (32 bytes)          │
│ Merkle Root (32 bytes)                  │
│ Timestamp (4 bytes)                     │
│ nBits (4 bytes) - 難度目標              │
│ Nonce (4 bytes)                         │
└─────────────────────────────────────────┘

頭部檢查項目:

1. 工作量證明
   hash = SHA256(SHA256(header))
   要求: hash <= target_from_nBits

2. 時間戳
   - 必須 > MTP (過去 11 區塊的中位時間)
   - 必須 < 當前時間 + 2 小時

3. 難度目標
   - 必須符合難度調整規則
   - 每 2016 區塊檢查

4. 版本號
   - 檢查軟分叉信號
   - BIP-9 版本位

5. 前一區塊
   - 必須是已知區塊
   - 構成有效鏈

上下文無關驗證

不需要鏈狀態的檢查:

1. 區塊大小
   block_weight <= 4,000,000 WU
   (約 1 MB 非見證 + 3 MB 見證)

2. 第一筆交易
   - 必須是 coinbase
   - 只有一筆 coinbase

3. Merkle Root
   merkle_root == computed_merkle_root(transactions)

4. 交易列表
   - 每筆交易語法有效
   - 沒有重複 TXID
   - 沒有重複輸入

5. Coinbase 結構
   - ScriptSig 長度: 2-100 bytes
   - 包含區塊高度 (BIP-34)

6. 見證承諾 (如果有 SegWit 交易)
   witness_commitment == computed_commitment

上下文相關驗證

需要 UTXO 集合的檢查:

1. 輸入存在性
   for input in tx.inputs:
       utxo = utxo_set.get(input.prevout)
       if utxo is None:
           reject("Missing input")

2. 雙重支付
   spent_outputs = set()
   for tx in block.transactions:
       for input in tx.inputs:
           if input.prevout in spent_outputs:
               reject("Double spend")
           spent_outputs.add(input.prevout)

3. Coinbase 成熟度
   for input in tx.inputs:
       if utxo.is_coinbase:
           if block_height - utxo.height < 100:
               reject("Immature coinbase")

4. 金額檢查
   total_input = sum(utxo.amount for input)
   total_output = sum(output.amount for output)
   if total_input < total_output:
       reject("Insufficient funds")

5. 時間鎖
   - 檢查 nLockTime
   - 檢查 nSequence (BIP-68)

腳本驗證

驗證每個輸入的解鎖腳本:

for tx in block.transactions[1:]:  # 跳過 coinbase
    for i, input in enumerate(tx.inputs):
        utxo = utxo_set.get(input.prevout)

        # 構建驗證環境
        flags = get_script_flags(block_height)

        # 執行腳本
        result = verify_script(
            scriptSig=input.scriptSig,
            scriptPubKey=utxo.scriptPubKey,
            witness=tx.witness[i],
            tx=tx,
            input_index=i,
            flags=flags
        )

        if not result:
            reject("Script verification failed")

腳本標誌 (隨高度變化):
- SCRIPT_VERIFY_P2SH (BIP-16)
- SCRIPT_VERIFY_DERSIG (BIP-66)
- SCRIPT_VERIFY_CHECKLOCKTIMEVERIFY (BIP-65)
- SCRIPT_VERIFY_CHECKSEQUENCEVERIFY (BIP-112)
- SCRIPT_VERIFY_WITNESS (BIP-141)
- SCRIPT_VERIFY_TAPROOT (BIP-341)

並行驗證

Bitcoin Core 的並行化策略:

1. 頭部驗證
   - 可以完全並行
   - 不需要鏈狀態

2. 區塊下載
   - Headers-first 同步
   - 並行下載區塊體

3. 腳本驗證
   - 使用多線程
   - 每個輸入獨立驗證
   - 默認使用所有 CPU 核心

配置選項:
# bitcoin.conf
par=N  # 腳本驗證線程數
       # 0 = 自動 (CPU 核心數)
       # 1 = 單線程
       # N = N 個線程

性能影響:
- 4 核心可提升約 3x
- 8 核心可提升約 5-6x
- 收益遞減

驗證緩存

避免重複驗證:

1. 簽名緩存 (Signature Cache)
   - 緩存已驗證的簽名
   - 避免重複 ECDSA/Schnorr 運算
   - 大小約 32 MB

2. 腳本緩存 (Script Cache)
   - 緩存已驗證的腳本
   - 包含完整驗證結果
   - 加速區塊重驗證

3. UTXO 緩存
   - 熱門 UTXO 在記憶體中
   - 減少磁碟 I/O
   - 由 dbcache 配置

緩存命中場景:
- 交易先在 mempool 驗證
- 區塊包含同樣交易
- 可以跳過腳本驗證

AssumeValid 優化

跳過歷史區塊的腳本驗證:

原理:
- 假設已知區塊的簽名是有效的
- 只驗證 UTXO 更新
- 大幅加速 IBD

配置:
# 內建在 chainparams.cpp
assumevalid = 000000000000000000...

# 或手動設置
# bitcoin.conf
assumevalid=0  # 禁用，驗證所有腳本

安全性:
- 仍然驗證 UTXO 規則
- 仍然驗證區塊結構
- 只跳過簽名驗證
- 需要信任 assumevalid 雜湊

性能提升:
- IBD 速度提升 50-80%
- 過了 assumevalid 後正常驗證

區塊連接流程

ConnectBlock 函數流程:

def connect_block(block, view):
    # 1. 檢查區塊頭（已在之前完成）

    # 2. 上下文無關檢查
    check_block(block)

    # 3. 準備 UTXO 視圖
    for tx in block.transactions:
        for input in tx.inputs:
            view.fetch(input.prevout)

    # 4. 執行交易
    block_fees = 0
    for tx in block.transactions:
        # 檢查輸入
        tx_fee = check_inputs(tx, view)
        block_fees += tx_fee

        # 更新 UTXO 視圖
        spend_inputs(tx, view)
        add_outputs(tx, view)

    # 5. 驗證 coinbase 金額
    max_reward = get_block_subsidy(height) + block_fees
    if coinbase_output > max_reward:
        reject("Bad coinbase amount")

    # 6. 腳本驗證（可能並行）
    verify_scripts(block)

    # 7. 提交到數據庫
    view.flush()

    return True

錯誤處理

驗證失敗的後果:

1. 無效區塊
   - 區塊被拒絕
   - 標記為無效
   - 可能禁止發送節點

2. 無效區塊鏈
   - 該區塊及所有後代無效
   - 觸發鏈重組到有效鏈

3. 孤立區塊
   - 父區塊未知
   - 暫時存儲等待父區塊
   - 有大小限制

錯誤代碼:
REJECT_MALFORMED     # 格式錯誤
REJECT_INVALID       # 違反共識規則
REJECT_OBSOLETE      # 版本過舊
REJECT_DUPLICATE     # 重複區塊
REJECT_CHECKPOINT    # 違反檢查點

# 查看拒絕原因
bitcoin-cli getblock <hash> 2

調試驗證

# 啟用詳細日誌
# bitcoin.conf
debug=validation
debug=bench

# 查看驗證時間
grep "ConnectBlock" ~/.bitcoin/debug.log

# 輸出示例
ConnectBlock: 0.05s total
  - Load inputs: 0.01s
  - SigOps: 5000
  - Connect: 0.03s
  - Verify: 0.01s
  - Index: 0.00s

# 驗證特定區塊
bitcoin-cli getblockheader <hash>
bitcoin-cli getblock <hash> 2

# 重新驗證
bitcoind -reindex-chainstate

軟分叉與驗證

軟分叉如何影響驗證:

啟用前:
- 新規則不強制執行
- 舊節點認為區塊有效

啟用後:
- 新規則開始強制執行
- 舊節點可能接受無效區塊

範例 - SegWit 啟用:
if block_height >= SEGWIT_HEIGHT:
    flags |= SCRIPT_VERIFY_WITNESS
    # 開始驗證見證數據

向後兼容:
- 舊節點仍可同步
- 但不驗證新規則
- 安全性降低

建議:
- 保持節點更新
- 啟用完整驗證

相關概念

  • Consensus：共識規則
  • Script Validation：腳本驗證
  • UTXO Set：UTXO 集合
  • AssumeValid：快速同步優化
  • Headers-First：頭部優先同步
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