比特币原理详解

一、什么是比特币

比特币是一种电子货币，是一种基于密码学的货币，在2008年11月1日由中本聪发表比特币白皮书，文中提出了一种去中心化的电子记账系统，我们平时的电子现金是银行来记账，因为银行的背后是国家信用。去中心化电子记账系统是参与者共同记账。比特币可以防止主权危机、信用风险。其好处不多做赘述，这一层面介绍的文章很多，本文主要从更深层的技术原理角度进行介绍。

二、问题引入

假设现有4个人分别称之为ABCD，他们之间发起了3个交易，A转给B10个比特币，B转给C5个比特币，C转给D2个比特币。如果是传统的记账方式，这些交易会记录在银行的系统中，这些信息由银行来记录，我们相信银行不会随意添加、删除或修改一条交易记录，我们也不会关注到底有哪些交易，我们只关注自己的账户余额。而比特币的记账方式为ABCD每个人保存了这样一份账本，账本上记录了上述交易内容，如果每个人账本实时的一致，ABCD就不再需要银行。

比特币是这样做的，每当有人发起一笔交易，他就要将一笔交易广播至全网，由全网中的某一个人，把一段时间内的交易打包好记录到一个区块上，再按照顺序把这些区块，一个一个的链接在一起，进而形成了一个链条，这就是所谓的区块链。

那么问题来了

1、我凭什么要参与这个系统，我为什么要动用自己的计算机资源来存储这些信息呢?

2、以谁的记录为准呢?比如上面的账单顺序，A用户可能是这个顺序，但是B可能顺序不一样，甚至可能B根本就没有接收到C给D转账的这个消息。

3、比特币如果做到支付功能，保证该是谁的钱就是谁的钱，而且只有其所有者才能花。

4、如何防伪、防篡改以及双重支付，防伪是验证每条交易的真的是某人发出的，比如B可能杜撰一条消息，说某某给我转了一笔钱，这就是一个假消息，或者B说我给某人转了多少钱，但是实际上他并没有这么多钱，又怎么办。防篡改指的是B可能想从区块链上把自己曾经转给某人钱的记录删掉，这样他的余额就会增加。双重支付是指，B只有10比特币，他同时向C和D转10个比特币，造成双重花费。

三、为什么要记账?

因为记账有奖励，记账有手续费的收益，而且打包区块的人有系统奖励，奖励方案是，每十分钟生成一个区块，每生成一个区块会奖励一定数量的比特币，最开始是50个BTC，过4年会奖励25个BTC，再过4年再减少一半，以此类推。这样比特币的产生会越来越少，越来越趋近于一个最大值，计算公式是：50×6×24×365×4×(1+1/2+1/4+1/8+…)≈2100万，其中最初奖励50个比特币，每小时有6个区块，每天24小时，每年365天，前四年是如此，之后每四年减半。

此外，记账奖励还有每笔交易的小额手续费，每个交易发起都会附带一定的手续费，这些手续费是给记账的矿工的。

四、以谁为准?

各个节点通过工作量证明机制来争夺记账权，他们计算一个很复杂的数学题，第一个计算出来的节点就是下一个区块的产生者。这个数学题很难，难到没有一个人能同过脑子算出来，它是基于概率的方法，矿工必须通过遍历、猜测和尝试的办法才能解开这个未知数。那么这个数学难题到底是什么呢?下面详细介绍。

4.1哈希函数

哈希函数又称为数字摘要或散列函数，它的特点是输入一个字符串，可以生成另外一个字符串，但是如果输入不同，输出的字符串就一定不同，而且通过输出的字符串，不能反推出输入。举个简单的例子，对1-100内的数模10，可以认为是一种哈希方法，比如98%10=8，66%10=6，98和66是输入，模10是哈希函数，8和6是输出，在这个模型中，通过6和8无法推断输入是66和98，因为还可能是56和88等，当然因为这个例子比较简单，所以会出现哈希碰撞，即66和56的结果都是6，输出的结果相同。一个优秀的哈希函数，可以做到输出一定不同，哈希碰撞的概率几乎为0。常见的哈希函数有很多，比如MD系列和SHA系列等，比特币采用的SHA256算法，即输入一个字符串，输出一个256位的二进制数。下面是程序运行的结果。

通过程序结果可以看出，输入的源信息不同，得到的结果也不同(为了方便，结果用64位16进制表示)，即使是orange多了一个句号，也会产生截然不同的结果。同时，通过输出的十六进制字符串，也无法倒推出输入。对于比特币，只要了解SHA256的功能即可，如果感兴趣可以深入了解SHA256的具体算法。需要SHA256的C++源码留言邮箱或私信。

4.2挖矿原理

首先介绍一下比特币每个区块的数据结构，每个区块由区块头和区块体两部分组成。

区块体中包含了矿工搜集的若干交易信息，图中假设有8个交易被收录在区块中，所有的交易生成一颗默克尔树，默克尔树是一种数据结构，它将叶子节点两两哈希，生成上一层节点，上层节点再哈希，生成上一层，直到最后生成一个树根，称之为默克尔树根，只有树根保留在区块头中，这样可以节省区块头的空间，也便于交易的验证。

区块头中包含父区块的哈希，版本号，当前时间戳，难度值，随机数和上面提到的默克尔树根。

假设区块链已经链接到了某个块，有ABCD四个节点已经搜集了前十分钟内全网中的一些交易信息，他们选出其中约4k条交易，打包好，生成默克尔树根，将区块头中的信息，即发区块哈希+版本号+时间戳+难度值+随机数+默克尔树根组成一个字符串str，通过两次哈希函数得出一个256的二进制数，即SHA256(SHA256(str)) = 10010011……共256位，比特币要求，生成的结果，前n位必须是0，n就是难度值，如果现在生成的二进制数不符合要求，就必须改变随机数的值，重新计算，只到算出满足条件的结果为止。假设现在n是5，则生成的二进制数必须是00000……(共256位)。一旦挖矿成功，矿工就可以广播这个消息到全网，其他的矿工就会基于该区块继续挖矿。下一个区块头中的父区块哈希值就是上一个区块生成的00000……这个数。

解决这个数学难题要靠运气，理论上，运气最好的矿工可能1次哈希就能算出结果，运气差的可能永远都算不出来。但是总体来看，如果一个矿工的算力越大，单位时间内进行的哈希次数就越多，就越可能在短时间内挖矿成功。

那么n是如何确定的呢?比特币设计者希望，总体上平均每十分钟产生一个区块，总体上来看，挖矿成功的概率为1/2^n。现假设世界上有1W台矿机，每台矿机的算力是14T次/s = 1.4×10^13次/s，单位次/s称之为哈希率，10分钟是600s，所以10分钟可以做8×10^19次哈希运算，从概率角度看，想要挖矿成功需要做2^n次运算，可以列出等式2^n = 8×10^19，可以解出n约为66。所以对于这种方法，我们没有办法使得自己的运气变的更好，只能提高自己的算力，尽快的算出结果。

另外，需要模拟挖矿过程的C++代码可以回复邮箱，代码可以通过调整难度值，模拟比特币的挖矿算法，控制区块产生的速度。

五、如何防伪、防篡改、防双重支付等问题

这部分是理解比特币很重要的部分。

5.1电子签名技术

身份认证技术在生活中很常见，可以是人脸识别、签字、指纹等，但是这些方法在数字货币领域并不安全，因为它们一旦数字化，都可以通过复制的方法伪造。所以比特币采用了电子签名的方法。

注册成为比特币用户时，系统会根据随机数生成一个私钥，私钥会生成一个公钥，公钥又会生成一个地址，其中私钥必须保密，可以保存到硬盘里或者记到脑子里，因为这个私钥是使用相应地址上的比特币的唯一标识，一旦丢失，所有的比特币将无法使用。下面介绍具体的转换过程，不感兴趣可以不看，只要知道随机数->私钥->公钥->钱包地址这个过程，其中私钥可以对一串字符进行加密，而公钥可以对其进行解密，这就是非对称加密，这类算法总体上的功能都是一样的，只是具体算法有区别，由于这些算法比较复杂，与SHA265算法一样不多做介绍，感兴趣可以深入了解具体算法，但是对于比特币系统，只要了解其功能即可。典型的算法是RSA，比特币采用椭圆曲线加密算法。

转换过程(选读，不影响理解)

1、首先使用随机数发生器生成一个私钥，它是一个256位的二进制数。私钥是不能公开的，相当于银行卡的密码。

2、私钥经过SECP256K1算法生成公钥，SECP256K1是一种椭圆曲线加密算法，功能和RSA算法类似，通过一个已知的私钥，生成一个公钥，但是通过公钥不能反推出私钥。

3、同SHA256算法一样，RIPEMD160也是一种HASH算法，由公钥可以得到公钥的哈希值，而通过哈希值无法推出公钥。

4、将一个字节的版本号连接到公钥哈希头部，然后对其进行两次SHA256运算，将结果的前4字节作为公钥哈希的校验值，连接在其尾部。

5、将上一步的结果使用BASE58进行编码，就得到了钱包地址(相当于银行账户)。比如A1zP1eP5QGefi2DMPTfTL5SLmv7DivfNa

所以，通过以上的过程我们可以总结出私钥、公钥、钱包之间的关系如下图。可以看到通过私钥可以推出所有的值，公钥哈希和钱包地址之间可以通过BASE58和BASE58解码算法相互转化。

了解了公钥、私钥、地址的概念后，防伪验证的过程就很容易理解，当A发起一笔交易后，对消息进行哈希，生成数字摘要，对数字摘要，通过私钥加密，生成一个密码。之后A会广播这个条交易消息、公钥以及密码。收到消息的人首先对交易信息进行哈希生成摘要1，再通过公钥对密码进行解密，生成摘要2，这样，如果两个摘要相同，说明这个消息确实是A发出的。所谓的签名，就是密文。

5.2余额检查

余额的概念应该说根深蒂固，余额是伴随着称之为借贷记账法而产生的，也是目前银行普遍采用的方法，将一个人的交易记录统计好后算出一个余额，但是在比特币中没有余额这个概念，因为其采用的是UXTO模型的记账方法。比如A->B10个比特币，B->C5个比特币，对于第二笔交易来说，B在发起这笔交易时要注明第一笔交易的信息，这样就可以知道B曾经从A那里收到过10个比特币，说明满足第二笔交易发起的条件。所以比特币中余额的检查是通过追溯的方法。

上图描述了两笔交易，交易10001中，B向C转了10个比特币，验证这笔交易的过程是：首先将B的签名通过B的公钥解密，然后再和交易的具体内容(B签名左侧)对比，如果相同，说明消息是B发出的，然后再检查10000这个交易是否真的存在以及它的内容的真实性。这两点都满足了，就说明交易10001是可以被接受的，否则拒绝接受。

实际上，真实的交易比这个复杂的多，因为有可能是多笔交易构成了输入，比如B->C20个比特币，是由多笔交易A->B10,D->B10构成的，则前一笔交易ID就是两个ID，甚至可能更多。这里为了简单描述，只列举一笔交易。

5.3双重支付

A同时发了两条消息，同时给B和C转了10个比特币，实际上他只有10个会怎么样?假设D节点先收到了转给B10个BTC，然后收到了转给C10个比特币，通过上面的验证方法，自然会拒绝后面的一个，与此同时，E节点可能先收到了转给C10个BTC，然后收到了转给B10个比特币，他自然会拒绝后者。至于哪一笔交易最终会上链，就要看D和E哪个先解决难题，成功挖矿。

5.4防止篡改

假设A转给B10个比特币，但是他想把这个信息从区块链上删除，这样大家就都不知道这个事情存在，就可以赖账。

首先说一下最长链原则，假设某一个区块后面有两个矿工同时挖到了矿，或者由于网络延迟等原因产生了分歧，这时，各个节点先随意根据自己认为对的区块挖矿，只到下一个区块产生，这时会有两条链，但是有一条是长的，比特币规定，以最长的链为准。如果某个节点仍然的固执的以较短的链为准，他就是在和大多数算力作对，这样做的结果是，他挖的块不被大家认可，会浪费时间和算力。

回到上面的场景，A想赖账，就只能从记录了A->B10个比特币这个消息的区块的前一个区块开始重新挖矿，造出一个支链来，但是实际上的区块已经前进了很多，他只能不停的追赶，而且在追赶的同时，主链也在前进，他必须以比主链快的速度前进，如果他的算力足够大，理论上通过较长的时间确实可以追赶成功，就实现了对交易信息的篡改。然而其实这几乎是不可能的，因为就算算力再大，平均出块速度也是10分钟，从非技术的角度讲，一个人如果掌握了全网一半以上的算力，他为什么不在主链上继续挖矿呢?一个富可敌国的人应该不会甘愿去做一个小偷吧。

六、总结

区块链并不等同于比特币，比特币也不是区块链，区块链只是比特币应用的一种技术，这个技术能给我们带来启发，比特币的伟大之处在于应用了前所未有的区块链技术。区块链技术还能在哪些方面应用还需继续探索。

比特币是区块链技术最成功的应用，但是比特币本身也有很多问题，它想通过发行货币来挑战主权货币，这个动机有待商榷。此外，由于比特币的匿名性，只需要一个公钥或地址就能进行交易，为黑色产业提供了很好的平台。另外，比特币并不是一个成熟的支付系统，它具有吞吐率低，可拓展性差等缺点。

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