SPV、SPV节点和SPV钱包
一、什么是SPV
SPV是“Simplified Payment Verification”（简略付出验证）的缩写。中本聪论文简要地提及了这一概念，指出：不运行彻底节点也可验证付出，用户只需求保存一切的block header就能够了。用户尽管不能自己验证买卖，但假如能够从区块链的某处找到相符的买卖，他就能够知道网络现已认可了这笔买卖，而且得到了网络的多少个承认。
依照中本聪的原文，这里有个细节需求留意，SPV指的是“付出验证“，而不是“买卖验证”。这两种验证有很大差异。
"买卖验证”非常复杂，涉及到验证是否有满足余额可供开销、是否存在双花、脚本能否经过等等，通常由运行彻底节点的矿工来完结。
“付出验证”则比较简略，只判别用于“付出”的那笔买卖是否现已被验证过，并得到了多少的算力维护（多少承认数）。
考虑这样一种状况，A收到来自B的一个告诉，B声称他现已从某某账户中汇款必定数额的钱给了A。去中心办法下，没有任何人能证明B的牢靠。接到这一告诉，A怎样能判别B所说的是真的呢？
在比特币体系中，这一告诉是以一个固定格局的“买卖"来完成的，该买卖中包括B的汇款账户、B的签名、汇给A的金额以及A的地址。
假如A想本人亲身验证这笔买卖，首要，A要遍历区块链账本，定位到B的账户上，这样才干查看B所给的账户上是否曾经有满足的金额；接下来，A要遍历后续的一切账本，看B是否现已开销了这个账户上的钱给别人(是否存在双花欺骗）；然后还要验证脚本来判别B是否具有该账户的分配权。这一过程要求A有必要得到完好的区块链才行。
但是，假如A只想知道这笔付出是否现已得到了验证（假如验证了就发货），他能够依赖比特币体系来快速验证。即，查看产生此项付出的那笔买卖是否现已录入于区块链中，并得到了多少个承认。
原理：block header中有三个关键字段，一是prev_block_hash(前一区块的hash值，保证了区块链所记载的买卖次序）；二是bits（当时区块的核算难度）, 三是merkle_root_hash（借助merkle tree算法，保证录入与区块中一切买卖的实在性）。
验证某个买卖是否实在存在时，理论上，用户能够经过以下办法进行验证：
0. 从网络上获取并保存最长链的一切block header至本地；
1. 核算该买卖的hash值tx_hash；
2. 定位到包括该tx_hash地点的区块，验证block header是否包括在已知的最长链中；
3. 从区块中获取构建merkle tree所需的hash值；
4. 依据这些hash值核算merkle_root_hash；
5. 若核算结果与block header中的merkle_root_hash持平，则买卖实在存在。
6. 依据该block header所处的位置，承认该买卖现已得到多少个承认。
优点：极大地节约存储空间。减轻终端用户的担负。不管未来的买卖量有多大，block header的大小始终不变，只要80字节。依照每小时6个的出块速度，每年产出52560个区块。当只保存block header时，每年新增的存储需求约为4兆字节，100年后累计的存储需求仅为400兆，即便用户运用的是最低端的设备，正常状况下也彻底能够负载。
问题：怎样才干经过tx_hash定位到该买卖地点的区块? 以往的比特币协议中短少对此的支撑。
二、比特币钱包
在进一步讨论SPV的完成之前，先要阐明一下比特币的钱寄存的是什么，钱包和私钥之间是什么联系？
比特币钱包
已然用到“钱包”一词，那么应该与我们日常日子中运用的钱包有必定的相似之处。为了更直观阐明，我们与日常日子中所运用的钱包做一下比照。
日常日子中里面寄存的可能是纸币、支票、印鉴等等(为了简化阐明，我们把银行卡排除在外，运用银行卡涉及到许多中间环节，增加表述上的复杂度)。
用纸币购物时，
1. 从钱包中凑足若干张不同面值的纸币，核算总面值是否大于所需金额以及应找回多少零钱；
2. 将这些纸币直接交给卖方；
3. 卖方验证这些纸币的真伪；
4. 卖方核算这些纸币的面值是否大于或等于商品价格，并找回相应的零钱。
5. 将收到的零钱放回钱包。
比特币的钱包里寄存的相当于是一张张标有面值的“一次性支票”和对应的“印鉴”。付出时，
1. 用户从钱包中取出若干张“一次性支票”，自己核算总面值是否大于所需金额以及应找回多少零钱，留意要扣除比特币体系所收取的手续费;
2. 给卖方开一张支票，注明卖方地址和付出金额；假如需求找零，给自己开一张找零支票（写上自己的地址和找零金额）；
3. 在每张从钱包中取出的支票上加盖对应的印鉴，承认付出权；
4. 将这些收据提交给比特币体系，比特币体系验证支票的真伪和付出是否有用。
5. 若比特币体系验证经过，收款方将收到的支票放入钱包。用户则将自己钱包中的已付出的支票丢掉（这些支票现已被比特币体系视为无效了，无法继续运用），
即便是刚触摸比特币的人，估量也能猜出“印鉴”指的是“私钥”。但“一次性支票”是什么？
比特币体系中，这种“一次性支票”的术语是UTXO，全称是Unspent Transaction Outputs(未花费的买卖输出）。区块链是一个录入一切历史买卖（Transaction)的总帐，每个区块（block)中包括若干笔买卖记载。
每个买卖记载由两部分构成：资金来源（能够有多个来源）和资金去向（能够有多个去向），术语为Tx_in(买卖输入）和Tx_out（买卖输出）。也就是说，每笔买卖TX包括有若干个Tx_in和若干个Tx_out。
除创世区块中的买卖（genesis block）外，每笔买卖有必要要有资金来源。资金来源有两种，一种是挖矿奖励（依照固定算法完成的钱银发行），出现在每个block的第一笔买卖中；另一种是先前的买卖中未曾运用的某个Tx_out(买卖输出），即UTXO。开销方要出示依据来证明自己对该Tx_out具有一切权，而比特币体系则要验证该Tx_out是否真的未被花费（是否是UTXO）以及开销方是否有权将其花费。
资金去向（TX_out)包括两个部分，一是传递的金额，二是分配权(谁能够动用）。取款权经过比特币的脚本体系来完成。若收款方地址是以1最初的普通地址，则脚本中会包括地址所对应公钥的hash值（hash160)，动用金钱时一般需求用对应的私钥进行签名；若收款方地址是以3最初的多重签名地址，则脚本中会包括某个特定脚本的hash值（hash160)，动用金钱时，一般需求依照特定的脚本，用多个私钥来签名。
用户钱包中的比特币实际上是用户具有分配权的、且没有花费的Tx_out中记载的金额总和，即用户可分配的一切UTXO金额之和。
完好的钱包中应存有若干个UTXO和分配每个UTXO时所对应的私钥。当然，有时从安全视点出发，可能会把钱包划分为两个部分，在线钱包中只要UTXO，而离线钱包只存私钥。
但是，用户怎样才干把自己的一切UTXO都放到钱包中呢？
三、用户怎样录入自己的UTXO
（一）去中心化办法：
完成办法：
1. 在本地建立一个用于存储UTXO的数据库；
2. 设置区块扫描起始点（区块链上的扫描起始高度)，从该点开端，顺次下载该点之后一切区块（block)的完好数据。
3. 解析每个block的一切TX数据，顺次读取每个Tx_in的prev_Tx_out(［tx hash］ + ［tx_out的序号］），检索UTXO数据库中是否存在这个Tx_out，假如有，则从UTXO数据库中删除（或标记删除）。
4. 顺次解析每个Tx_out的脚本，若与用户相关，则将[tx hash] + ［Tx_out的序号］以及整个tx_out的内容记载到UTXO数据库；
备注：假如钱包中只要新创建的私钥，能够从最新的区块开端扫描（由于私钥产生磕碰的可能性能够视为0，在你奉告他人比特币地址之前，该私钥对应的地址上不会有任何收入）
优点：不依赖于信赖；数据精确。
缺陷：速度慢，需求从比特币网络下载许多数据，对网络造成的压力大。
（二）中心化办法：
1. 某个中心化组织（或个人）运行完好的比特币节点，建立一个录入一切UTXO的数据库。
2. 用户用中心化组织供给的api来恳求与自己有关的UTXO数据。
优点：速度快，不连累比特币网络；
缺陷：依赖于信赖；数据不必定精确（有可能中心化服务器出现故障，或是与中心服务器的会话被劫持，数据遭篡改）
四、瘦客户端、SPV轻钱包和SPV节点是什么？
瘦客户端：参阅了SPV的机制，在监听收款地址时，客户端在本地只需保存与用户可分配买卖相关的数据。因为本地没有完好的区块链，短少发送方的相关数据，客户端无法亲身验证买卖是否合法，只能判别买卖是否是被录入，并且得到了几个承认。这与SPV有许多相似之处，因而许多场合下这种瘦客户端也常被成为是“SPV客户端”，不过，与SPV的差异是，在去中心化办法下，这些客户端仍需下载每个新区块的全部数据并进行解析，仅仅无需在本地保存全部数据而已。
“轻钱包”是用瘦客户端形式完成的钱包，因为不存储完好区块链，就涉及到怎样获取UTXO的问题。不同的开发者可能有各自的完成办法，但从功率上考虑，往往多用中心化的办法来完成。
SPV节点：支撑运用布隆过滤器（Bloom filter)在快速检索并回来相关数据的节点。这样的节点能够为去中心化办法SPV查询供给必要的支撑。
SPV在完成上涉及到一个问题，怎样才干经过tx_hash来定位到该付出买卖地点的区块?用中心化办法来完成很好处理，但用去中心化就不那么简略了，因为以往的比特币体系协议中短少对SPV的支撑。原有协议中，能够经过getheaders指令来获取block headers，能够经过getdata指令支撑获取指定的block, 但不支撑经过tx_hash反向查找地点的block。为了定位block，客户端往往不得不下载整个区块链。Bloom filter处理了客户端检索的问题，原理是Bloom filter能够快速判别出某检索值必定不存在于某个指定的调集，从而能够过滤掉许多无关数据，减少客户端不必要的下载量。
前文说到，SPV的用途是验证某个付出是否确实存在，并得到多少个承认。而钱包的用途则是用于办理自己的资产以及进行付出。简言之，SPV的使用场合往往是为发货做准备（知道钱到帐了），“轻钱包”的使用场合往往是数钱或花钱。尽管“轻钱包”中部分学习了SPV的机制，但和SPV是彻底不用的使用方向，直接把这两个词连起略显牵强。这种钱包要么选用中心化的办法——提高了功率，但引入了信赖的风险；要么选用去中心化办法——无需信赖，但功率低，且增加网络的担负。
SPV节点的出现使以去中心化办法来完成高效、低负荷的“轻钱包”成为了可能。笔者认为将基于SPV节点来完成的"轻钱包"简称为“SPV轻钱包”可能会更为合适些。
chehw2015.3.19
