Segwit

BIP 141: 隔离见证 (Segregated Witness)

2017 年的隔离见证 (SegWit) 升级改变了比特币中交易数据的结构。

这次升级的主要原因是为了修复交易延展性 (transaction malleability)（我稍后会对此进行解释）。另一个重要的变化是区块大小的增加。

主要改变了什么？¶

传统交易¶

在传统交易中，解锁代码（和签名）位于每个输入的旁边，因此解锁代码分布在整个交易数据中。

然后根据整个交易数据创建 TXID：

SegWit 交易¶

然而，在 SegWit 交易中，所有的解锁代码（和签名）都被移到了交易数据的末尾。

然后，除了解锁代码之外，根据所有交易数据创建 TXID：

因此，SegWit 交易中的 TXID 仅受交易效果（比特币的转移）的影响，而不受验证交易所需代码（即用于解锁比特币以供消费所需的签名）的影响。

所以从本质上讲，你已经将“验证”部分（解锁代码）与交易的其他部分分离开来。

如果你将此验证代码称为见证 (witness) 数据（如密码学家所做的那样），你可以说你“隔离了见证”。*眨眼*

有什么好处？¶

1. 修复交易延展性
2. 提高区块容量

1. 修复交易延展性¶

在比特币中，交易延展性 (transaction malleability) 是指可以通过修改签名来改变交易的 TXID：

可以通过反转 s 值来改变签名。签名依然有效，交易也具有相同的效果，但 TXID 会变得不同。

这意味着当你将传统交易发送到网络中时，任何节点都有能力在转发它之前修改其 TXID：

最终你的交易会被打包进区块链，但其 TXID 与你预期的不同，这会让人有些恼火。

然而，如果签名不再是 TXID 的一部分，其他人就再也无法在之后修改你交易的 TXID 了：

So in other words, SegWit makes TXIDs reliable. -> 所以换句话说，SegWit 让 TXID 变得可靠。

2. 提高区块容量¶

由于解锁代码被移至交易数据中一个全新的见证字段，因此区块大小的计算方式也可以随之改变。

在此之前，交易是以字节为单位进行测量的，区块大小限制为 1,000,000 字节 (1 MB)：

在 SegWit 中，交易不再以字节为单位进行测量。相反，交易和区块被赋予了一个新的度量标准，称为重量：

• 一个区块的最大大小为 4,000,000 重量单位。
• 交易中的普通字节等于 4 重量单位。
• 交易中的见证字节等于 1 重量单位。

所以基本上，区块大小限制乘以 4，就得到了新的区块重量限制。

交易中的每个字节也乘以 4，以得到 交易重量。但是，你只需将见证数据的字节数乘以 1，这基本上使得“解锁代码”在区块中所占的空间享受了 75% 的折扣。

因此可以说，解锁数据所占的空间只有过去的四分之一，这意味着区块中整体上有了更多空间来容纳交易数据。

SegWit 是区块大小的增加吗？¶

是的，现在每个区块的大小都可以大于 1,000,000 字节 (1 MB)。

因此，虽然区块大小限制没有增加特定数量的字节，但解锁数据的重量折扣意味着区块可以超过先前的 1 MB 限制。

尽管区块大小限制从 1,000,000 字节变为了 4,000,000 重量单位，但这并不意味着 SegWit 将区块大小绝对增加到了 4 MB。

这是因为一个典型的区块不会全部填满见证数据（每字节 1 重量单位）。相反，交易包含普通 data（等等，普通数据）和见证数据（1 重量单位）的组合。因此，“区块大小的增加”取决于区块中交易的组成结构。 Wait, let's write it cleanly: 这是因为一个典型的区块不会全部填满见证数据（每字节 1 重量单位）。相反，交易包含普通数据（4 重量单位）和见证数据（1 重量单位）的组合。因此，“区块大小的增加”取决于区块中交易的组成结构。

SegWit 带来了多大程度的区块大小增加？¶

SegWit 升级将典型区块的最大大小提高到了 1.8 MB 左右。

你看，一个典型的交易区块包含大约 60% 的解锁数据¹。因此，如果我们计算一个由“典型”交易数据组成的 1 MB 区块的重量，我们会得到：

400,000 bytes * 4 = 1,600,000 weight units
600,000 bytes * 1 =   600,000 weight units

Total Weight      = 2,200,000 weight units

现在，如果一个区块的最大重量限制为 4,000,000 重量单位，我们可以计算出这给我们带来了多少增长：

4,000,000 / 2,200,000 = 1.81

所以可以说，这实际上将区块大小限制提高到了 1.8 MB。

1. 我是通过遍历 blk.dat 文件并累加区块中所有交易的 scriptSig 数据，并将其与区块的总大小进行对比，从而得到了这 60% 的数据。我没有进行详尽的测试，但 60% 似乎是一个合理的平均值。例如，这里是 blk00700.dat 的结果。

为什么这些变化要以这种方式实现？¶

或者，换句话说……

如果你想修复交易延展性并增加区块容量，难道没有更直接的方法吗？为什么需要重构交易数据，并创建一个名为“区块重量”的新度量标准？

好问题。你是对的——这些修改本可以做得简单得多。例如，你原本可以直接这样做：

然而，如果这样做，在当前的规则下，交易和区块将变得“无效”。

基本上，这意味着网络上的节点会拒绝这些新的交易和区块，因为它们不符合关于交易和区块应该“长什么样”的规则。

例如，其中一条规则就是每个区块的大小必须在 1 MB 或以下。

因此，如果你想进行这些更改，你需要让网络上的每个人都升级他们的软件（并且显然要同意 these 更改）。 Wait, write it cleanly: 因此，如果你想进行这些更改，**你需要让网络上的每个人都升级他们的软件**（并且显然要同意这些更改）。

因为如果不这样做，最终会导致网络构建出两条不同的区块链——升级后的节点使用新规则构建区块链，而旧节点继续使用旧规则构建区块链。

这被称为硬分叉。这可行，但极具风险，并且会给那些未升级的人带来问题。

SegWit 是如何避免硬分叉的？¶

SegWit 并非硬分叉，而是作为软分叉实现的。

通过 SegWit 升级，交易和区块依然遵循比特币网络的当前规则，因此所有节点仍然认为 SegWit 区块是有效的。因此，“旧”节点也会接受这些“新”区块并将它们添加到自己的区块链中。

因此，旧节点仍然能跟上新节点的步伐，即使它们没有升级。

通过软分叉，每个人都保持与单一版本区块链的同步。

对于“旧”节点来说，缺点是它们在升级之前无法利用 SegWit 的新特性。然而，在那之前，它们可以像往常一样继续进行“旧式”交易，并跟上区块链的进度。

总而言之，SegWit 升级虽然看起来像是修复交易延展性和增加区块容量的一种“打补丁 (hacky)”的方式，但这种方法避免了试图让所有人升级到新软件（否则就会被抛在后面）的问题。

SegWit 是何时激活的？¶

SegWit 于 2017 年 8 月 24 日 01:57:37 在区块高度 481,824 处被激活。

这是节点开始对所有新区块和交易强制执行 SegWit 升级的新共识规则的时间。

SegWit 是如何生效的？¶

当 95% 的矿工表态支持时，隔离见证升级便开始生效。

矿工可以通过在他们开采的区块中使用指定的版本号来表达他们的支持意愿。

版本字段是区块头的一部分。

因此，当 95% 的区块都带有这个版本号时，SegWit 便被安排激活：

这 95% 的门槛是在一个目标重新调整周期内计算的。如果达到了 95% 的门槛，软分叉将在下一个目标调整周期（即 2016 个区块，或大约 2 周）开始时激活。

激活是否有时间限制？¶

是的，这是激活窗口：

如果到 2017 年 11 月 15 日午夜仍没有足够多的矿工表示支持隔离见证升级，该提案就会过期。

激活时间线¶

下面这张表格显示了在激活前的每个目标周期中，支持 SegWit 的区块数量：

如你所见，在区块 477,792 和 479,807 之间的目标调整周期内，矿工表态支持 SegWit 的比例超过了 95% 的门槛。

因此，大约 2 周（2,016 个区块）后，SegWit 升级在区块 481,824 处被激活：

• 从 439,488 到 441,503 的目标周期是激活窗口开启后的第一个表态周期。
• 在 477,792 和 479,807 之间的区块 100% 都表态支持 SegWit 升级。你可以在这里查看这些区块及其信号：（右起第二位表示支持 SegWit）。
• 在软分叉激活之前，有一个目标周期的间隔，此时软分叉处于“已锁定 (locked in)”状态。

为什么把激活的决定权交给矿工？¶

因为如果你希望软分叉成功，你需要大多数矿工在区块链上挖矿产生“新”类型的区块。

这样一来，包含“新”区块的区块链在速度上就会超过任何由“旧”区块（可能仍有一些未升级的矿工在挖矿）构建的区块链。

结果，“新”区块链的构建速度比由“旧”区块构建的区块链更快，因此所有节点自然都会采用同一个最长链：

拥有大多数算力可以使网络中的每个人都保持在同一条链上。

因此，获得绝大多数矿工的支持可以实现平滑升级，因为这确保了整个网络都将收敛到同一条区块链上。

这倒不一定是因为矿工是对判断软分叉升级优缺点最了解的群体；更多的是因为需要他们来确保整个网络能够平稳升级。

如果我不运行 SegWit 升级会怎么样？¶

如果你运行的是旧节点（例如 Bitcoin Core v0.13.0 或更低版本），你所连接的任何 SegWit 节点都会在向你发送交易之前，剥离交易中所有的见证数据。

这意味着：

• 你仍然会收到和大家一样的交易。
• 如果你收到一个 SegWit 交易，你会看到比特币的转移，但你不会看到任何解锁代码数据。

所以基本上，你的节点会得到一个 SegWit 交易的“轻量”版本。

我该如何升级？¶

这就对了！

• Bitcoin Core – 只要确保你使用的是 0.13.1 或更高版本。
• 其他钱包 – 如今几乎所有现代钱包都支持 SegWit 交易。

SegWit 已经存在了如此之久，以至于你不太可能遇到任何不支持它的软件（除非它明显太老了）。

资源¶

• BIP 141 (共识层)
• BIP 144 (对等网络服务)
• Bitcoin.org – 隔离见证的好处

致谢¶

• Pieter Wuille – 感谢其对 SegWit 交易数据结构等内容的解释。
• Gregory Maxwell 和 Luke-jr – 感谢其对区块重量的解释。

延伸阅读¶

• 隔离见证详解 – 关于 SegWit 的优质视频解释，附有交易数据结构变化的直观可视化。