整合交易到区块中

验证交易之后，比特币节点会将它们加入内存池（或交易池）中，交易在那里等待着被加入（挖矿）一个区块内，这是比特币共识机制的第二个步骤。景的节点与其他节点一样，收集、验证并转发交易。与其他节点不同的是，景的节点在完成这些动作后，还要把这些交易整合到一个候选区块（candidate block）中。

我们来跟踪一些区块，这些区块是在爱丽丝从鲍勃咖啡店购买一杯咖啡期间创建的（参见第2章中“购买一杯咖啡”）。爱丽丝的交易被包含进277316号区块。为了演示本章所阐述的概念，我们假设这个区块是被景的挖矿系统挖出来的，我们将在爱丽丝的交易成为新区块的一部分后，继续跟进这笔交易。

景的挖矿节点维护着一份区块链的完整副本，它是所有区块的列表，包含了2009年比特币系统创建以来的所有区块。在爱丽丝购买那杯咖啡前，景的节点已经装配了一条包含277314个区块的链条。景的节点持续监听交易，尝试挖出新的区块；同时，它也监听其他节点发现的区块。当景的节点正在挖矿时，它从比特币网络中接收到277315号区块。这个区块的到达，标志着区块277315的挖矿竞争结束了，而创建区块277316的竞争从此开始。

在之前的10分钟内，景的节点在查找区块255315的解决方案的过程中，也在收集交易，为创建下个区块做准备。此时，它已经收集了几百个交易并保存在内存池中。当接收到区块277315并验证后，景的节点对内存池中的交易进行检查，剔除那些已被包含进277315区块的交易。仍然留在内存池中的交易都是未确认的交易，它们继续等待被记录到新区块中。

完成这些准备工作后，景的节点立即创建一个新的空区块，作为区块277316的候选，这个区块就叫作候选区块，因为它尚未成为有效区块，不包含有效的工作量证明。只有在矿工成功找到一个工作量证明算法的解后，这个区块才会变为有效。

为了构建候选区块，景的比特币节点需要从内存池中选择交易。选择过程首先要对每个交易赋予一个优先级权数，并将最高优先级的交易优先选出。交易基于输入中即将被花费的UTXO的“年龄”进行排序，允许那些较老的、高价值的交易输入比那些较新的、低价值的交易输入拥有更高的优先级。只要区块空间足够，高优先级的交易可以免费发送。

交易优先级是通过输入价值与输入“年龄”乘积的汇总再除以交易总大小后得出的。

在等式中，输入价值的单位是比特币的基础单位，即聪（1比特币的1亿分之一）。UTXO的年龄是自UTXO被记入区块起所经过的区块数量，即这个UTXO在区块链中的深度。交易记录的大小用字节来表示。

对一个被认定为“高优先级”的交易来说，它的优先级必须大于57600000，这相当于一个包含1比特币（1亿聪）、年龄为1天（144区块）、大小为250字节的交易。

区块交易空间的前50KB是保留给高优先级交易的。景的节点将首先填充前50KB，最高优先级的交易优先处理，不管有没有交易费用。即使没有交易费用，高优先级交易也能得到处理。

接着，景的节点继续填充区块的剩余部分，直到达到其大小的上限（代码中设定的MAX_BLOCK_SIZE），这部分交易必须至少包含最低交易费用，并且依据每千字节交易费用的高低进行排序。

如果区块中仍有空间，景的节点可能会选择没有交易费用的交易来填充它。某些矿工基于最大努力原则，将没有交易费用的交易加入区块，而有些矿工则可能选择忽略那些没有交易费的交易。

区块填充后，若还有交易留在内存池中，它们将继续在内存池中等待下个区块的处理。由于交易停留在内存池中，它们的输入“年龄”，即它们花费的UTXO在区块链中的深度将随着新区块的加入而变得更深。因为交易的优先级基于输入年龄，交易保留在内存池中会“变老”，从而优先级得以提高。最终，没有交易费用的交易也有可能拥有足够高的优先级，并被免费添加进区块当中。

比特币的交易并没有超时的设置。一个当前有效的交易也将永久有效。但是，如果一个交易只在网络中传播一次，它只会停留在矿工节点的内存池中。由于内存是一种临时的、非持久化的存储形式，当矿工节点重启后，它的内存池就会被清空。虽然有效交易可能已经被传播到网络上，但是如果它一直未被处理，最终可能从所有挖矿节点的内存池中消失。如果交易未在一定时间内得到处理，钱包软件应该重新发送交易或重新创建包含较高交易费用的交易。

当景的节点汇聚了内存池中的所有交易后，新的候选区块总共填充了418个交易，合计交易费用为0.09094928比特币。你可以利用比特币核心的命令行接口看到区块链中的这个区块，如例8-3所示。

加入区块的第一笔交易是一个特殊交易，叫作铸币交易（generation transaction）或币基交易（coinbase transaction）。这个交易由景的节点创建，也是对他挖矿付出努力的报酬。景的节点创建了一笔铸币交易，内容为向其钱包发起支付：“支付25.09094928比特币到景的地址。”景通过挖出一个区块获得的总报酬为币基奖励（25新比特币）与区块中所有交易的交易费用汇总（0.09094928比特币）的和，如例8-4所示。

不像普通交易，铸币交易并不需要消耗（花费）UTXO。实际上，它只有一个输入，叫作币基（coinbase），这个交易从无到有生成了比特币。铸币交易有一个输出，支付到矿工的比特币地址。铸币交易的输出将25.09094928比特币发送到矿工的比特币地址。在本例中，地址为：1MxTkeEP2PmHSMze5tUZ1hAV3YTKu2Gh1N。

首先，为了构建一笔铸币交易，景的节点对所有加入区块的418个交易的输入和输出进行汇总轧差，计算得出交易费用。计算公式如下。

在区块277316中，总的交易费用是0.09094928比特币。

接着，景的节点需要计算新区块的准确奖励金额。奖励金额的计算基于区块高度，从每区块50比特币开始，每210000个区块减半。当前的区块高度是277316，因此正确的奖励是25比特币。

计算过程可以在比特币核心客户端的函数GetBlockValue中查到，如例8-5所示。

初始奖励是以聪为单位进行计算的，其值为50与COIN常量（100000000聪）的乘积。即初始的奖励金（nSubsidy）为50亿聪。

接下来，计算已经发生的减半（halvings）次数：将当前的区块高度除以减半间隔（SubsidyHalvingInterval）。对区块277316来说，除以210000的减半间隔，其结果为1，即1个减半。

可允许的最大的减半次数为64次，所以在代码中，如果减半次数超出了64，就将奖励金设置为0（只返回交易费用）。

再接下来，函数采用右移操作符对奖励金（nSubsidy）进行除以2的操作，每次减半右移一位，即除以2。对于区块277316，由于减半次数为1次，则对奖励金（50亿聪）右移操作一次，得到的结果是25亿聪，或者25比特币。之所以使用右移操作符，是因为它做除以2的操作效率比整数除法或浮点型除法高得多。

最后，函数将币基奖励（nSubsidy）与交易费用（nFees）相加，将两者总和返回。

通过以上计算，景的节点创建了一个铸币交易，向他自己支付了25.09094928比特币。

从例8-4可以看到，铸币交易使用了一种特殊的格式。相对普通交易的输入需要指定用于花费的前序UTXO，铸币交易只有一个“币基”输入。我们曾在表5.3中考察了普通交易的输入。现在我们将普通交易的输入与铸币交易的输入做个对比。表8.1显示的是普通交易输入的数据结构，表8.2显示的是铸币交易输入的数据结构。

表8.1　“普通”交易的输入结构

表8.2　铸币交易的输入结构

在铸币交易中，前两个字段设置为与UTXO引用无关的值。第一个字段是32字节的“0”，而不是“交易哈希”。“输出索引”用4字节0xFF填充（十进制255）。“解锁脚本”被替换为币基数据，一个可由矿工自由定义的数据。

铸币交易没有解锁脚本（scriptSig）字段。相反，这个字段被替换为币基数据，长度限定在2到100字节之间。除了前面几个字节，币基数据的剩余部分可被矿工用于其自主的任何用途，填充任意数据。

举例来说，在创世区块中，中本聪在币基数据中加了这段话：“The Times 03/Jan/2009 Chancellor on brink of second bailout for banks”（《泰晤士报》，2009年1月3日，财政大臣正处于实施第二轮银行紧急援助的边缘）用以证明比特币的发明日期并传达一条信息。当前，矿工们通常使用币基数据包含额外的随机数，并附上标识其矿池信息的字符串，我们将在接下来的几个章节继续讨论。

币基的前几个字节曾经也是可以任意安排的，但是现在不再这样了。依据比特币改进提案34号（BIP0034），版本2区块（版本字段设置为2的区块）必须在币基字段的最前面附加区块高度索引，作为脚本的“压栈”操作。

在区块277316中，我们看到币基（参看例8-4），也就是交易输入的“解锁脚本”或scriptSig字段，包含一段十六进制数据03443b0403858402062f503253482f。我们将其解码，看看其内容。

第1个字节，03，指示脚本执行引擎将后续3个字节压入脚本堆栈中（参见附录A表A.1）。接下来的3个字节，0x443b04，以小字节序（little endian）格式编码的区块高度。将其字节序翻转，结果就是0x043b44，对应的十进制就是277316。

紧接着的几个十六进制数字（03858402062）用于编码额外随机数（参看本章中“扩展随机数方案”），以用于找到合适的工作量证明的解。

最后部分（2f503253482f）是ASCII编码的字符串（“/P2SH/”），提示本区块的挖矿节点支持BIP0016定义的“支付到脚本哈希（P2SH）”。P2SH能力引入的时候曾要求矿工“投票”，从BIP0016和BIP0017中间选择一个。那些选择了BIP0016实现的矿工会将“/P2SH/”加进币基数据，而那些选择了BIP0017的P2SH实现的矿工则在币基数据中加入字符串“p2sh/CHV”。最终BIP0016成了赢家，但是很多矿工依然将字符串/P2SH/加入币基中，表明其支持这个特性的态度。

例8-6使用libbitcoin库（参见第3章“替代客户端、库、工具集”）从创世区块中提取币基数据，并显示中本聪在区块中留下的信息。需要注意的是，libbitcoin内嵌了创世区块的静态复制，所以示例代码可以直接从库中提取创世区块。

使用GNU C++编译这段代码，运行所生成的可执行程序，结果如例8-7所示。