比特幣原理詳解

一、什么是比特幣

比特幣是一種電子貨幣，是一種基于密碼學的貨幣，在2008年11月1日由中本聰發(fā)表比特幣白皮書，文中提出了一種去中心化的電子記賬系統(tǒng)，我們平時的電子現金是銀行來記賬，因為銀行的背后是國家信用。去中心化電子記賬系統(tǒng)是參與者共同記賬。比特幣可以防止主權危機、信用風險。其好處不多做贅述，這一層面介紹的文章很多，本文主要從更深層的技術原理角度進行介紹。

二、問題引入

假設現有4個人分別稱之為ABCD，他們之間發(fā)起了3個交易，A轉給B10個比特幣，B轉給C5個比特幣，C轉給D2個比特幣。如果是傳統(tǒng)的記賬方式，這些交易會記錄在銀行的系統(tǒng)中，這些信息由銀行來記錄，我們相信銀行不會隨意添加、刪除或修改一條交易記錄，我們也不會關注到底有哪些交易，我們只關注自己的賬戶余額。而比特幣的記賬方式為ABCD每個人保存了這樣一份賬本，賬本上記錄了上述交易內容，如果每個人賬本實時的一致，ABCD就不再需要銀行。

比特幣是這樣做的，每當有人發(fā)起一筆交易，他就要將一筆交易廣播至全網，由全網中的某一個人，把一段時間內的交易打包好記錄到一個區(qū)塊上，再按照順序把這些區(qū)塊，一個一個的鏈接在一起，進而形成了一個鏈條，這就是所謂的區(qū)塊鏈。

那么問題來了

1、我憑什么要參與這個系統(tǒng)，我為什么要動用自己的計算機資源來存儲這些信息呢?

2、以誰的記錄為準呢?比如上面的賬單順序，A用戶可能是這個順序，但是B可能順序不一樣，甚至可能B根本就沒有接收到C給D轉賬的這個消息。

3、比特幣如果做到支付功能，保證該是誰的錢就是誰的錢，而且只有其所有者才能花。

4、如何防偽、防篡改以及雙重支付，防偽是驗證每條交易的真的是某人發(fā)出的，比如B可能杜撰一條消息，說某某給我轉了一筆錢，這就是一個假消息，或者B說我給某人轉了多少錢，但是實際上他并沒有這么多錢，又怎么辦。防篡改指的是B可能想從區(qū)塊鏈上把自己曾經轉給某人錢的記錄刪掉，這樣他的余額就會增加。雙重支付是指，B只有10比特幣，他同時向C和D轉10個比特幣，造成雙重花費。

三、為什么要記賬?

因為記賬有獎勵，記賬有手續(xù)費的收益，而且打包區(qū)塊的人有系統(tǒng)獎勵，獎勵方案是，每十分鐘生成一個區(qū)塊，每生成一個區(qū)塊會獎勵一定數量的比特幣，最開始是50個BTC，過4年會獎勵25個BTC，再過4年再減少一半，以此類推。這樣比特幣的產生會越來越少，越來越趨近于一個最大值，計算公式是：50×6×24×365×4×(1+1/2+1/4+1/8+…)≈2100萬，其中最初獎勵50個比特幣，每小時有6個區(qū)塊，每天24小時，每年365天，前四年是如此，之后每四年減半。

此外，記賬獎勵還有每筆交易的小額手續(xù)費，每個交易發(fā)起都會附帶一定的手續(xù)費，這些手續(xù)費是給記賬的礦工的。

四、以誰為準?

各個節(jié)點通過工作量證明機制來爭奪記賬權，他們計算一個很復雜的數學題，第一個計算出來的節(jié)點就是下一個區(qū)塊的產生者。這個數學題很難，難到沒有一個人能同過腦子算出來，它是基于概率的方法，礦工必須通過遍歷、猜測和嘗試的辦法才能解開這個未知數。那么這個數學難題到底是什么呢?下面詳細介紹。

4.1哈希函數

哈希函數又稱為數字摘要或散列函數，它的特點是輸入一個字符串，可以生成另外一個字符串，但是如果輸入不同，輸出的字符串就一定不同，而且通過輸出的字符串，不能反推出輸入。舉個簡單的例子，對1-100內的數模10，可以認為是一種哈希方法，比如98%10=8，66%10=6，98和66是輸入，模10是哈希函數，8和6是輸出，在這個模型中，通過6和8無法推斷輸入是66和98，因為還可能是56和88等，當然因為這個例子比較簡單，所以會出現哈希碰撞，即66和56的結果都是6，輸出的結果相同。一個優(yōu)秀的哈希函數，可以做到輸出一定不同，哈希碰撞的概率幾乎為0。常見的哈希函數有很多，比如MD系列和SHA系列等，比特幣采用的SHA256算法，即輸入一個字符串，輸出一個256位的二進制數。下面是程序運行的結果。

通過程序結果可以看出，輸入的源信息不同，得到的結果也不同(為了方便，結果用64位16進制表示)，即使是orange多了一個句號，也會產生截然不同的結果。同時，通過輸出的十六進制字符串，也無法倒推出輸入。對于比特幣，只要了解SHA256的功能即可，如果感興趣可以深入了解SHA256的具體算法。需要SHA256的C++源碼留言郵箱或私信。

4.2挖礦原理

首先介紹一下比特幣每個區(qū)塊的數據結構，每個區(qū)塊由區(qū)塊頭和區(qū)塊體兩部分組成。

區(qū)塊體中包含了礦工搜集的若干交易信息，圖中假設有8個交易被收錄在區(qū)塊中，所有的交易生成一顆默克爾樹，默克爾樹是一種數據結構，它將葉子節(jié)點兩兩哈希，生成上一層節(jié)點，上層節(jié)點再哈希，生成上一層，直到最后生成一個樹根，稱之為默克爾樹根，只有樹根保留在區(qū)塊頭中，這樣可以節(jié)省區(qū)塊頭的空間，也便于交易的驗證。

區(qū)塊頭中包含父區(qū)塊的哈希，版本號，當前時間戳，難度值，隨機數和上面提到的默克爾樹根。

假設區(qū)塊鏈已經鏈接到了某個塊，有ABCD四個節(jié)點已經搜集了前十分鐘內全網中的一些交易信息，他們選出其中約4k條交易，打包好，生成默克爾樹根，將區(qū)塊頭中的信息，即發(fā)區(qū)塊哈希+版本號+時間戳+難度值+隨機數+默克爾樹根組成一個字符串str，通過兩次哈希函數得出一個256的二進制數，即SHA256(SHA256(str)) = 10010011……共256位，比特幣要求，生成的結果，前n位必須是0，n就是難度值，如果現在生成的二進制數不符合要求，就必須改變隨機數的值，重新計算，只到算出滿足條件的結果為止。假設現在n是5，則生成的二進制數必須是00000……(共256位)。一旦挖礦成功，礦工就可以廣播這個消息到全網，其他的礦工就會基于該區(qū)塊繼續(xù)挖礦。下一個區(qū)塊頭中的父區(qū)塊哈希值就是上一個區(qū)塊生成的00000……這個數。

解決這個數學難題要靠運氣，理論上，運氣最好的礦工可能1次哈希就能算出結果，運氣差的可能永遠都算不出來。但是總體來看，如果一個礦工的算力越大，單位時間內進行的哈希次數就越多，就越可能在短時間內挖礦成功。

那么n是如何確定的呢?比特幣設計者希望，總體上平均每十分鐘產生一個區(qū)塊，總體上來看，挖礦成功的概率為1/2^n?，F假設世界上有1W臺礦機，每臺礦機的算力是14T次/s = 1.4×10^13次/s，單位次/s稱之為哈希率，10分鐘是600s，所以10分鐘可以做8×10^19次哈希運算，從概率角度看，想要挖礦成功需要做2^n次運算，可以列出等式2^n = 8×10^19，可以解出n約為66。所以對于這種方法，我們沒有辦法使得自己的運氣變的更好，只能提高自己的算力，盡快的算出結果。

另外，需要模擬挖礦過程的C++代碼可以回復郵箱，代碼可以通過調整難度值，模擬比特幣的挖礦算法，控制區(qū)塊產生的速度。

五、如何防偽、防篡改、防雙重支付等問題

這部分是理解比特幣很重要的部分。

5.1電子簽名技術

身份認證技術在生活中很常見，可以是人臉識別、簽字、指紋等，但是這些方法在數字貨幣領域并不安全，因為它們一旦數字化，都可以通過復制的方法偽造。所以比特幣采用了電子簽名的方法。

注冊成為比特幣用戶時，系統(tǒng)會根據隨機數生成一個私鑰，私鑰會生成一個公鑰，公鑰又會生成一個地址，其中私鑰必須保密，可以保存到硬盤里或者記到腦子里，因為這個私鑰是使用相應地址上的比特幣的唯一標識，一旦丟失，所有的比特幣將無法使用。下面介紹具體的轉換過程，不感興趣可以不看，只要知道隨機數->私鑰->公鑰->錢包地址這個過程，其中私鑰可以對一串字符進行加密，而公鑰可以對其進行解密，這就是非對稱加密，這類算法總體上的功能都是一樣的，只是具體算法有區(qū)別，由于這些算法比較復雜，與SHA265算法一樣不多做介紹，感興趣可以深入了解具體算法，但是對于比特幣系統(tǒng)，只要了解其功能即可。典型的算法是RSA，比特幣采用橢圓曲線加密算法。

轉換過程(選讀，不影響理解)

1、首先使用隨機數發(fā)生器生成一個私鑰，它是一個256位的二進制數。私鑰是不能公開的，相當于銀行卡的密碼。

2、私鑰經過SECP256K1算法生成公鑰，SECP256K1是一種橢圓曲線加密算法，功能和RSA算法類似，通過一個已知的私鑰，生成一個公鑰，但是通過公鑰不能反推出私鑰。

3、同SHA256算法一樣，RIPEMD160也是一種HASH算法，由公鑰可以得到公鑰的哈希值，而通過哈希值無法推出公鑰。

4、將一個字節(jié)的版本號連接到公鑰哈希頭部，然后對其進行兩次SHA256運算，將結果的前4字節(jié)作為公鑰哈希的校驗值，連接在其尾部。

5、將上一步的結果使用BASE58進行編碼，就得到了錢包地址(相當于銀行賬戶)。比如A1zP1eP5QGefi2DMPTfTL5SLmv7DivfNa

所以，通過以上的過程我們可以總結出私鑰、公鑰、錢包之間的關系如下圖?？梢钥吹酵ㄟ^私鑰可以推出所有的值，公鑰哈希和錢包地址之間可以通過BASE58和BASE58解碼算法相互轉化。

了解了公鑰、私鑰、地址的概念后，防偽驗證的過程就很容易理解，當A發(fā)起一筆交易后，對消息進行哈希，生成數字摘要，對數字摘要，通過私鑰加密，生成一個密碼。之后A會廣播這個條交易消息、公鑰以及密碼。收到消息的人首先對交易信息進行哈希生成摘要1，再通過公鑰對密碼進行解密，生成摘要2，這樣，如果兩個摘要相同，說明這個消息確實是A發(fā)出的。所謂的簽名，就是密文。

5.2余額檢查

余額的概念應該說根深蒂固，余額是伴隨著稱之為借貸記賬法而產生的，也是目前銀行普遍采用的方法，將一個人的交易記錄統(tǒng)計好后算出一個余額，但是在比特幣中沒有余額這個概念，因為其采用的是UXTO模型的記賬方法。比如A->B10個比特幣，B->C5個比特幣，對于第二筆交易來說，B在發(fā)起這筆交易時要注明第一筆交易的信息，這樣就可以知道B曾經從A那里收到過10個比特幣，說明滿足第二筆交易發(fā)起的條件。所以比特幣中余額的檢查是通過追溯的方法。

上圖描述了兩筆交易，交易10001中，B向C轉了10個比特幣，驗證這筆交易的過程是：首先將B的簽名通過B的公鑰解密，然后再和交易的具體內容(B簽名左側)對比，如果相同，說明消息是B發(fā)出的，然后再檢查10000這個交易是否真的存在以及它的內容的真實性。這兩點都滿足了，就說明交易10001是可以被接受的，否則拒絕接受。

實際上，真實的交易比這個復雜的多，因為有可能是多筆交易構成了輸入，比如B->C20個比特幣，是由多筆交易A->B10,D->B10構成的，則前一筆交易ID就是兩個ID，甚至可能更多。這里為了簡單描述，只列舉一筆交易。

5.3雙重支付

A同時發(fā)了兩條消息，同時給B和C轉了10個比特幣，實際上他只有10個會怎么樣?假設D節(jié)點先收到了轉給B10個BTC，然后收到了轉給C10個比特幣，通過上面的驗證方法，自然會拒絕后面的一個，與此同時，E節(jié)點可能先收到了轉給C10個BTC，然后收到了轉給B10個比特幣，他自然會拒絕后者。至于哪一筆交易最終會上鏈，就要看D和E哪個先解決難題，成功挖礦。

5.4防止篡改

假設A轉給B10個比特幣，但是他想把這個信息從區(qū)塊鏈上刪除，這樣大家就都不知道這個事情存在，就可以賴賬。

首先說一下最長鏈原則，假設某一個區(qū)塊后面有兩個礦工同時挖到了礦，或者由于網絡延遲等原因產生了分歧，這時，各個節(jié)點先隨意根據自己認為對的區(qū)塊挖礦，只到下一個區(qū)塊產生，這時會有兩條鏈，但是有一條是長的，比特幣規(guī)定，以最長的鏈為準。如果某個節(jié)點仍然的固執(zhí)的以較短的鏈為準，他就是在和大多數算力作對，這樣做的結果是，他挖的塊不被大家認可，會浪費時間和算力。

回到上面的場景，A想賴賬，就只能從記錄了A->B10個比特幣這個消息的區(qū)塊的前一個區(qū)塊開始重新挖礦，造出一個支鏈來，但是實際上的區(qū)塊已經前進了很多，他只能不停的追趕，而且在追趕的同時，主鏈也在前進，他必須以比主鏈快的速度前進，如果他的算力足夠大，理論上通過較長的時間確實可以追趕成功，就實現了對交易信息的篡改。然而其實這幾乎是不可能的，因為就算算力再大，平均出塊速度也是10分鐘，從非技術的角度講，一個人如果掌握了全網一半以上的算力，他為什么不在主鏈上繼續(xù)挖礦呢?一個富可敵國的人應該不會甘愿去做一個小偷吧。

六、總結

區(qū)塊鏈并不等同于比特幣，比特幣也不是區(qū)塊鏈，區(qū)塊鏈只是比特幣應用的一種技術，這個技術能給我們帶來啟發(fā)，比特幣的偉大之處在于應用了前所未有的區(qū)塊鏈技術。區(qū)塊鏈技術還能在哪些方面應用還需繼續(xù)探索。

比特幣是區(qū)塊鏈技術最成功的應用，但是比特幣本身也有很多問題，它想通過發(fā)行貨幣來挑戰(zhàn)主權貨幣，這個動機有待商榷。此外，由于比特幣的匿名性，只需要一個公鑰或地址就能進行交易，為黑色產業(yè)提供了很好的平臺。另外，比特幣并不是一個成熟的支付系統(tǒng)，它具有吞吐率低，可拓展性差等缺點。

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