为什么中本聪会在比特币白皮书中提出SPV？什么是SPV（简单支付验证）？

最近持续读比特币白皮书，正在准备一系列比特币的视频，希望大家关注。

中本聪在《比特币白皮书：一种点对点的电子现金系统》第八章提到 SPV ( Simple Payment Verification )，即?简单支付验证：

在不运行完整网络节点的情况下，也能够对支付进行检验。一个用户需要保留最长的工作量证明链条的区块头的拷贝，它可以不断向网络发起询问，直到它确信自己拥有最长的链条，并能够通过 merkle 的分支通向它被加上时间戳并纳入区块的那次交易。节点想要自行检验该交易的有效性原本是不可能的，但通过追溯到链条的某个位置，它就能看到某个节点曾经接受过它，并且于其后追加的区块也进一步证明全网曾经接受了它。

什么是 SPV ？

SPV，翻译为简单支付验证，是一种不用运行全节点、只需保存所有的区块头，就可以验证支付的技术手段。是一个在轻客户端环境下，就能验证支付有效性的过程。

SPV 是支付验证，不是交易验证。

SPV 只负责判断用于支付的那笔交易，是否已经被验证过，有多少个确认数。而不是全节点操作的复杂的交易验证。

全节点，即完整区块链节点，是同步保存所有区块链数据的节点。比特币发展早期，所有节点都是全节点。全节点进行的交易验证，需要完整的UTXO记录，涉及：合法性检查、双重花费检查、脚本检查等等，需要全节点矿工完成。

轻节点，又称SPV节点，是指通过 SPV 方式，可以在不必存储完整区块链数据的情况下，进行工作的节点。通常运行在储存空间有限和性能较低的设备，比如手机。

为什么要提出 SPV ？

SPV 主要就是解决在轻客户端条件下的支付确认问题。

因为我们普通用户，只关心与自己相关的那些交易。比如小明进行场外交易，卖家发微信声称已经将比特币打入小明的地址。这个时候，小明只想知道这笔交易是否合法、确认数是否已经大于等于6？（因为比特币网络确认一笔交易需要至少需要 6次确认）。小明并不希望自己运行全节点，下载几百个 G 的比特币区块链数据，做完整的交易验证。

小明只希望运行一个轻客户端手机钱包，就能进行验证。中本聪设计的 SPV ，可以帮助小明判断卖家的的支付交易，是否已经存在于区块链中，是否已经被验证过，以及有多少确认数等信息。

小明如果使用 SPV 钱包，只需要下载所有区块的区块头（Block Header），进行简单的定位和计算工作就可以给出验证结论。

验证交易支付时，如果需要将整个区块链数据保存在本地，为了验证一笔交易的真实性而保存整个网络信息，会占据大量的存储空间，耗费巨大的网络带宽资源，这是极其不合理的。

SPV 只需为每个区块存储80个字节的区块头信息，而不是全节点所需的每个区块1MB字节，节省了 99.992％ 的存储空间。这使得轻客户端进行支付验证，资源配置较低的设备（比如手机）运行支付验证，变得可行。

SPV 如何实现？

这里要先谈谈比特币区块的构成，主要包括两个部分：

区块头（ Block Headers )

区块体（ Block Body )

其中，区块头包含本区块的一些信息，包括版本号、随机数、挖矿难度、前一个区块的哈希、默克尔根（Merkle root）等信息。

值得注意的是，区块头中并没有保存默克尔树，只保存默克尔根。而一个默克尔根，对应一棵默克尔树。

默克尔树 ( Merkle Tree)

默克尔树，又称为“可信树”，是一种哈希二叉树，是一种可以快速归纳和校验大规模数据完整性的数据结构。默克尔树的树形结构，已经被广泛应用到了信息安全的各个领域。

中本聪设计比特币时，就使用了默克尔树的数据结构。具体实现方法是：将所有交易成对分组，并对其进行哈希处理，然后对所得的哈希继续进行哈希处理，继续此过程，直到只剩下一个哈希，称为默克尔根（merkle root）。

所以，默克尔树底部的树叶，就是交易数据。每一个父节点，都是两个子节点哈希值之和的哈希值。通过层层往上计算，最终算得根节点。这棵“信息树”就构成了整个网络的交易数据。节点都是哈希值，十分易于存储和验证。

(图片来源网络，侵权删）

SPV 支付验证过程

从区块链网络上，获取并保存最长链上的所有区块头至本地。

计算待验证支付交易的哈希值 tx_hash（为了简化模型，此处假设用tx_hash来定位区块）。

定位到包含该 tx_hash 所在的区块，并验证区块头是否包含在已知的最长链中，如果在最长链，则进行下一步验证。

从区块中获取待验证支付交易构建默克尔树所需的哈希值。

根据这个哈希值，计算出默克尔根哈希值。

如果计算结果，与区块头中的默克尔根的哈希值相等，则交易是真实存在的。

根据区块头所处的位置，确定该交易的确认数（比特币网络确认一笔交易需要至少6次确认）。

简单来说，比特币全节点在打包一个区块时，会对区块里的所有交易进行验证，一次交易会得到6~7次确认，来确保交易完成。而使用 SPV 支付验证时，只需做两件事：找到要验证的这笔交易在哪个区块，以及确定这个交易的确认次数至少有6次。

SPV 的使用场景：

轻钱包中的支付校验

侧链协议的 SPV 证明（SPV Proof）：侧链的双向挂钩中，主链和侧链需要对对方的特定交易做 SPV 验证，用以确保该笔交易确实发生过支付，从而使得一方锁定资产，另一方转移资产。

总结

SPV 极大的节省了存储空间。无论未来比特币的交易量变得有多大，区块头的大小始终是固定的80个字节，每小时出块6个，每年出块52560个。则每年新增的存储量，仅仅4M 字节，100年后累计的存储量，也仅仅增加400M，4G 网络的带宽都能轻松驾驭，将数据保存在手机上也没有问题。

参考文章：

WTF is an SPV and Why Satoshi put it in the Bitcoin Whitepaper

《SPV：区块链中的简单支付验证》

《多数人只知中本聪创造了比特币，他的这些帖子却鲜为人知》

《比特币白皮书：一种点对点的电子现金系统（吴忌寒翻译版）》

PV、SPV节点和SPV钱包

区块链轻节点和SPV

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编译者/作者：币圈金马奖

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