前言

本篇文章希望以較短的篇幅和通俗易懂的比喻來(lái)向大家簡(jiǎn)單介紹一下比特幣，學(xué)習(xí)比特幣目的不是為了推薦大家投資，主要是為了學(xué)習(xí)它巧妙的設(shè)計(jì)思想，能夠認(rèn)識(shí)到它對(duì)社會(huì)所產(chǎn)生的深遠(yuǎn)影響。

一、什么是比特幣？

起源：2008年，一位化名為中本聰?shù)娜?，在一篇名為《比特幣：一個(gè)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的電子現(xiàn)金系統(tǒng)》的論文中首先提出了比特幣。中本聰結(jié)合以前的多個(gè)數(shù)字貨幣發(fā)明，如B-money和HashCash，創(chuàng)建了一個(gè)完全去中心化的電子現(xiàn)金系統(tǒng)，不依賴(lài)于通貨保障或是結(jié)算交易驗(yàn)證保障的中央權(quán)威。

我們通常說(shuō)的比特幣可以從三個(gè)層面去理解，如下：

• 一種貨幣單位：
  狹義的“比特幣”代表了系統(tǒng)中的貨幣單位，用于儲(chǔ)存和傳輸價(jià)值。用戶(hù)主要通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)使用比特幣系統(tǒng)。
• 一種約定協(xié)議：
  比特幣本身是一種協(xié)議，參與者通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)并基于這些協(xié)議構(gòu)建了比特幣系統(tǒng)。
• 一個(gè)貨幣系統(tǒng)：
  比特幣是由一系列概念和技術(shù)作為基礎(chǔ)構(gòu)建的數(shù)字貨幣生態(tài)系統(tǒng)。

定義：
比特幣可以用來(lái)做一些傳統(tǒng)貨幣做的事情，比如商品買(mǎi)賣(mài)、組織匯款等。比特幣是完全虛擬的，具有安全、無(wú)國(guó)界的特性。比特幣用戶(hù)擁有的密鑰能夠證明他們?cè)谙到y(tǒng)中的交易權(quán)，解密后可以使用比特幣。
比特幣是一個(gè)分布式的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，它沒(méi)有“中央”服務(wù)器，也沒(méi)有“中央”控制點(diǎn)。比特幣是通過(guò)“挖礦”過(guò)程產(chǎn)生的，比特幣中任何的參與者都是一個(gè)潛在的礦工，用他們的算力來(lái)驗(yàn)證和記錄交易。每隔10分鐘礦工找出一個(gè)能夠被驗(yàn)證的區(qū)塊，礦工將獲得一定的比特幣獎(jiǎng)勵(lì)。

二、如何使用比特幣？

比特幣的使用是憑借比特幣客戶(hù)端來(lái)完成的，客戶(hù)端有很多種，用戶(hù)可以自己選擇一種客戶(hù)端來(lái)創(chuàng)建自己的錢(qián)包以及支付其他賬戶(hù)比特幣。
錢(qián)包里包含一個(gè)比特幣地址（一個(gè)32位的字符串，比如：1Cdid9KFAaatwczBwBttQcwXYCpvK8h7FK），將地址分享給別人，別人可以通過(guò)你的地址將資金轉(zhuǎn)到你的錢(qián)包里。整個(gè)轉(zhuǎn)賬過(guò)程別人只需要知道你的地址，這樣的方式隱私性很高。當(dāng)轉(zhuǎn)賬交易信息發(fā)出后將會(huì)被廣播到全網(wǎng)，此時(shí)還是未確認(rèn)狀態(tài)，經(jīng)過(guò)礦工的“開(kāi)采”工作后加入到區(qū)塊鏈中，在經(jīng)過(guò)6個(gè)子區(qū)塊以后狀態(tài)才會(huì)變成“已確認(rèn)”，才是被大家信任的。與此同時(shí)，錢(qián)包里的比特幣地址還對(duì)應(yīng)著一個(gè)私鑰，這個(gè)私鑰用來(lái)作為比特幣所有權(quán)的唯一憑證，用戶(hù)必須妥善保管自己的私鑰，私鑰一旦泄露，你的比特幣資產(chǎn)也就不安全了。

三、比特幣原理

了解比特幣的原理先了解三概念

1.密碼學(xué)原理：

1.1 非對(duì)稱(chēng)加密：

需要兩個(gè)密鑰：公開(kāi)密鑰（public key）和私有密鑰(private key)，簡(jiǎn)稱(chēng)公鑰和私鑰，它們是成對(duì)存在的。對(duì)于一段明文，公鑰加密的數(shù)據(jù)只能用私鑰解密，而通過(guò)私鑰簽名的數(shù)據(jù)只能用公鑰驗(yàn)證。公鑰需要公開(kāi)，而私鑰必須妥善保存。

1.2 散列哈希算法：

散列算法將任意長(zhǎng)度的二進(jìn)制值映射為較短的固定長(zhǎng)度的二進(jìn)制值，這個(gè)二進(jìn)制值稱(chēng)為哈希值。散列哈希算法的特點(diǎn)是針對(duì)不同的輸入，其結(jié)果一定不同，要找到同一個(gè)輸出的兩個(gè)不同輸入在計(jì)算上是不可能的?？梢杂脕?lái)驗(yàn)證數(shù)據(jù)的完整性。

1.3 數(shù)字簽名：

簽名者使用自己的私鑰對(duì)待發(fā)送的數(shù)據(jù)的摘要（哈希值）進(jìn)行簽名的結(jié)果就是數(shù)字簽名。因?yàn)榻邮苷呖梢杂煤灻叩墓€進(jìn)行驗(yàn)證，所以數(shù)字簽名保證可以驗(yàn)證身份的真實(shí)性，具有不可抵賴(lài)的特點(diǎn)。

2.去中心化信任：

比特幣系統(tǒng)是以去中心化信任為基礎(chǔ)的。中心化的意思是中心決定了節(jié)點(diǎn)，所有節(jié)點(diǎn)必須依賴(lài)中心才能產(chǎn)生聯(lián)系。而在一個(gè)去中心化的系統(tǒng)中是沒(méi)有中心的，各個(gè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)共識(shí)來(lái)維持正常的運(yùn)轉(zhuǎn)。我們將這種開(kāi)放式、扁平化、平等性的系統(tǒng)現(xiàn)象或者結(jié)構(gòu)稱(chēng)為去中心化。
舉個(gè)通俗一點(diǎn)的例子，當(dāng)我們?cè)谙蛄硪粋€(gè)人轉(zhuǎn)賬的時(shí)候，通常是依賴(lài)記賬機(jī)構(gòu)（銀行）進(jìn)行記賬，只有當(dāng)記賬機(jī)構(gòu)對(duì)你的轉(zhuǎn)賬操作進(jìn)行認(rèn)可并且確認(rèn)之后，本次轉(zhuǎn)賬操作才能成功，在轉(zhuǎn)賬過(guò)程中如果記賬機(jī)構(gòu)出現(xiàn)問(wèn)題，你的這次轉(zhuǎn)賬將失敗或者被篡改，你的轉(zhuǎn)賬是完全依賴(lài)于記賬機(jī)構(gòu)的。而在去中心化的貨幣系統(tǒng)中，全網(wǎng)每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都維護(hù)了一個(gè)賬本，該賬本記錄了全網(wǎng)所有的轉(zhuǎn)賬記錄（類(lèi)似流水賬的記錄方式），十分透明公正。你要給對(duì)方轉(zhuǎn)賬不需要等待記賬機(jī)構(gòu)的確認(rèn)，只需要等待更新之后查詢(xún)?nèi)W(wǎng)的總賬本記錄，查看自己轉(zhuǎn)賬是否到賬，是否確認(rèn)即可。

3.區(qū)塊鏈技術(shù)

區(qū)塊鏈?zhǔn)潜忍貛诺囊粋€(gè)重要概念，它是一種包含分布式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸、共識(shí)機(jī)制、價(jià)目算法等計(jì)算機(jī)技術(shù)的新型技術(shù)模型。它本質(zhì)上是一個(gè)去中心化的數(shù)據(jù)庫(kù)，同時(shí)作為比特幣的底層技術(shù)，其中包含了很多數(shù)據(jù)區(qū)塊，它們使用密碼學(xué)的方法讓相互之間產(chǎn)生關(guān)聯(lián)，每個(gè)區(qū)塊包含了一段時(shí)間內(nèi)的有效的網(wǎng)絡(luò)交易信息，也包含了驗(yàn)證交易信息有效性的標(biāo)記，該標(biāo)記也用于生成下一個(gè)區(qū)塊。

區(qū)塊鏈技術(shù)也叫分布式總賬技術(shù)，也就是我們上面的提到的總賬本。再舉個(gè)通俗的例子：
每一個(gè)支付中心后臺(tái)都有一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)庫(kù)記錄著每一筆交易記錄，就像是一個(gè)總賬本，只有數(shù)據(jù)庫(kù)管理員有權(quán)修改這個(gè)總賬本來(lái)進(jìn)行記賬，而普通用戶(hù)無(wú)權(quán)參與記賬工作。在區(qū)塊鏈系統(tǒng)中，每個(gè)用戶(hù)都可以參與到記賬中來(lái)，區(qū)塊鏈就是這個(gè)總賬本。在某一個(gè)時(shí)間段內(nèi)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)找出記賬最好最快的用戶(hù)，該用戶(hù)會(huì)把這這段時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)變化寫(xiě)到一個(gè)區(qū)塊中，就像是寫(xiě)到賬本中的一張賬頁(yè)上，并且把賬頁(yè)復(fù)制給系統(tǒng)中所有其他用戶(hù)進(jìn)行備份，系統(tǒng)每個(gè)時(shí)間段重復(fù)這樣的流程，這樣系統(tǒng)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)都擁有了完整總賬本的副本。區(qū)塊與區(qū)塊之間是通過(guò)密碼學(xué)技術(shù)聯(lián)系在一起保證了安全性和合法性。

四、比特幣交易是怎么完成的？

下面用一個(gè)實(shí)際例子來(lái)介紹一下交易過(guò)程。

Alice想用比特幣去Bob的咖啡店買(mǎi)一杯咖啡，在結(jié)賬時(shí)他會(huì)在收銀臺(tái)看到一個(gè)Bob家的二維碼，二維碼包含了Bob的比特幣地址、一杯咖啡的價(jià)格以及一些附加的信息，如下圖所示。其實(shí)只有比特幣地址是最關(guān)鍵的，其他信息是為了讓交互更加友好，Alice拿出手機(jī)打開(kāi)比特幣客戶(hù)端掃描這個(gè)二維碼，然后輸入應(yīng)付的金額點(diǎn)擊確認(rèn)，支付請(qǐng)求發(fā)送，幾秒鐘后Bob將在他的商家客戶(hù)端看到這筆交易并完成交易。

二維碼信息

Alice作為比特幣的持有者，授權(quán)將自己的比特幣轉(zhuǎn)賬給Bob，而B(niǎo)ob也可以用相同的方式將比特幣授權(quán)轉(zhuǎn)給其他用戶(hù)，后面的使用者也是用同樣的方式花費(fèi)比特幣。通過(guò)這樣的方式，交易就形成了鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，所以每一筆交易都可以一直往上追溯。
下面引用一張圖來(lái)說(shuō)明交易信息的結(jié)構(gòu)。

交易

五、如何證明和解鎖交易？

私鑰、公鑰、比特幣地址之間的關(guān)系

在創(chuàng)建錢(qián)包時(shí)，用戶(hù)有一個(gè)對(duì)應(yīng)錢(qián)包地址的私鑰，有了這個(gè)私鑰可以通過(guò)橢圓曲線(xiàn)函數(shù)計(jì)算出對(duì)應(yīng)公鑰，公鑰是公開(kāi)給其他用戶(hù)的，比特幣地址則是公鑰通過(guò)哈希函數(shù)計(jì)算出的結(jié)果，這兩個(gè)計(jì)算都不具備可逆性。它們?nèi)叩年P(guān)系如上圖所示。
回到剛剛的例子中，思考兩個(gè)問(wèn)題：

• Alice發(fā)起的交易請(qǐng)求是如何被其他節(jié)點(diǎn)的用戶(hù)驗(yàn)證其真實(shí)性的？
• Bob在使用時(shí)又是如何證明自己的持有權(quán)？

Alice在發(fā)起支付請(qǐng)求是會(huì)將消息用自己的私鑰進(jìn)行數(shù)字簽名（數(shù)字簽名的概念前面介紹了），這樣就能保證該消息的發(fā)送者一定是Alice。Alice在包裝這條消息的時(shí)候會(huì)向其中添加一個(gè)阻塞，該阻塞是寫(xiě)入了一個(gè)命題：給出一段文本，誰(shuí)能給出用Bob的私鑰進(jìn)行簽名的結(jié)果，那么就歸誰(shuí)所有。有了這個(gè)阻塞，除Bob外的其他用戶(hù)自然是無(wú)法使用這筆比特幣的，當(dāng)Bob需要使用時(shí)只需要使用自己的私鑰解答這個(gè)命題，給出證明結(jié)果即可。

六、什么是挖礦？

每條這樣的交易生成后，起初的狀態(tài)都是“未確認(rèn)”，它會(huì)被廣播到全網(wǎng)?！暗V工”是一個(gè)系統(tǒng)中普通的節(jié)點(diǎn)，將會(huì)把一段時(shí)間內(nèi)發(fā)生的交易按照約定規(guī)則進(jìn)行打包，在被該礦工打包的區(qū)塊中的第一筆交易是將本次“挖礦”的獎(jiǎng)勵(lì)轉(zhuǎn)向礦工自己的比特幣地址，獎(jiǎng)勵(lì)包括系統(tǒng)獎(jiǎng)勵(lì)和區(qū)塊中所有交易中隱含的交易費(fèi)。完成打包工作之后會(huì)將區(qū)塊信息廣播到全網(wǎng)中去，其他節(jié)點(diǎn)收到區(qū)塊信息之后會(huì)對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證，通過(guò)共識(shí)機(jī)制驗(yàn)證通過(guò)后會(huì)將區(qū)塊加入到本地維護(hù)的區(qū)塊鏈中去，下一個(gè)區(qū)塊將基于這個(gè)區(qū)塊進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)全網(wǎng)中絕大多數(shù)節(jié)點(diǎn)完成確認(rèn)且該區(qū)塊的子孫區(qū)達(dá)到6個(gè)后，該區(qū)塊中的交易狀態(tài)就變?yōu)槌闪恕耙汛_認(rèn)”，區(qū)塊中包含交易（含“礦工”的獎(jiǎng)勵(lì)）才會(huì)被認(rèn)可，這個(gè)過(guò)程就是“挖礦”。
然而挖礦并不是簡(jiǎn)單將交易打包那么簡(jiǎn)單，它需要提供所有交易進(jìn)行密碼學(xué)運(yùn)算后的輸出值，還需要提供工作量證明，這個(gè)工作量證明是通過(guò)解決一個(gè)具有一定難度的數(shù)學(xué)難題，極其消耗計(jì)算機(jī)資源，所以擁有越多的計(jì)算機(jī)資源，將更快的得出結(jié)果，反之更慢。盡管具有很大的挑戰(zhàn)，在利益的驅(qū)使下，礦工們還是對(duì)“挖礦”樂(lè)此不疲，這也是比特幣系統(tǒng)運(yùn)行的驅(qū)動(dòng)力所在。
當(dāng)有一個(gè)礦工第一個(gè)宣布將這段時(shí)間的交易打包完畢并且解出數(shù)學(xué)難題給出工作量證明，其他節(jié)點(diǎn)收到消息驗(yàn)證無(wú)誤后會(huì)將該區(qū)塊加入到本地區(qū)塊鏈中，意味著這些節(jié)點(diǎn)在本輪競(jìng)爭(zhēng)中已經(jīng)失敗，將立即停止本輪的計(jì)算工作，直接開(kāi)始下輪的競(jìng)爭(zhēng)。
礦工眾多，大家都在拼命的打包計(jì)算，當(dāng)一個(gè)礦工節(jié)點(diǎn)未能及時(shí)接收到下一個(gè)正確區(qū)塊信息，而繼續(xù)基于原區(qū)塊進(jìn)行“挖礦”，再接受到其他“礦工”之前的區(qū)塊信息后將出現(xiàn)區(qū)塊鏈分叉，也就是出現(xiàn)了同一個(gè)父區(qū)塊不止一個(gè)子區(qū)塊，將分出兩條子鏈，分叉問(wèn)題的處理辦法是將其中短的子鏈拋棄，選擇其中長(zhǎng)的子鏈為主鏈，這樣只要不是硬分叉的話(huà)，隨著時(shí)間推進(jìn)總有一條分支成為主鏈。分叉問(wèn)題是導(dǎo)致出現(xiàn)“雙花”問(wèn)題（指同一筆未被消費(fèi)的交易被消費(fèi)兩次）的原因之一，為了盡量避免分叉問(wèn)題出現(xiàn)，所以才會(huì)設(shè)置解答除數(shù)學(xué)難題這個(gè)環(huán)節(jié)，可以延緩打包的速度，盡量避免這樣的問(wèn)題發(fā)生。隨著礦工的增多，裝備的加強(qiáng)，計(jì)算能力會(huì)變得越來(lái)越強(qiáng)，比特幣系統(tǒng)也會(huì)根據(jù)每次打包消耗的具體時(shí)間進(jìn)行調(diào)整，不斷增加數(shù)學(xué)難題的難度來(lái)保證每個(gè)區(qū)塊產(chǎn)生的速度穩(wěn)定，大概是10分鐘/個(gè)。

七、什么是區(qū)塊鏈？

區(qū)塊鏈?zhǔn)怯砂灰仔畔⒌膮^(qū)塊從后向前有序連接起來(lái)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。區(qū)塊被從后向前有序地鏈接在這個(gè)鏈條里，每個(gè)區(qū)塊都指向前一個(gè)區(qū)塊。區(qū)塊經(jīng)常被視為一個(gè)棧，第一個(gè)區(qū)塊放在棧底，隨后每個(gè)區(qū)塊都被放置在其他區(qū)塊上面，如下圖所示。

區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)

區(qū)塊數(shù)據(jù)

如區(qū)塊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)所示，每個(gè)區(qū)塊都有一個(gè)區(qū)塊頭，將區(qū)塊頭進(jìn)行SHA256哈希之后生成一個(gè)哈希值，可以通過(guò)哈希值快速定位到對(duì)應(yīng)的區(qū)塊。而區(qū)塊頭中也包含了其父區(qū)塊的區(qū)塊頭的哈希值，通過(guò)這個(gè)父區(qū)塊頭的哈希的值，我們可以找到對(duì)應(yīng)的父區(qū)塊，因?yàn)槊總€(gè)區(qū)塊只有一個(gè)父區(qū)塊，所以我們可以一直追溯到以第一個(gè)區(qū)塊（創(chuàng)世區(qū)塊）。
當(dāng)一個(gè)區(qū)塊已經(jīng)延續(xù)了超過(guò)6個(gè)子區(qū)塊，即使其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)將其篡改廣播到全網(wǎng)中，其他節(jié)點(diǎn)也不會(huì)校驗(yàn)通過(guò)。由于區(qū)塊頭里面包含了父區(qū)塊的哈希值字段，所以當(dāng)前區(qū)塊的哈希值也受到該字段的影響，所以父區(qū)塊的改動(dòng)將會(huì)影響到子區(qū)塊，而子區(qū)塊的改動(dòng)將會(huì)影響孫區(qū)塊，以此類(lèi)推。當(dāng)一個(gè)區(qū)塊延續(xù)很多代之后，若再想將其改變，必須將其子孫后代區(qū)塊全部改動(dòng)，這樣重新計(jì)算將會(huì)耗費(fèi)巨大的計(jì)算資源，當(dāng)其超過(guò)延續(xù)6個(gè)子區(qū)塊之后被確認(rèn)，想要通過(guò)這樣的方式篡改區(qū)塊幾乎不可能。區(qū)塊鏈就是這樣來(lái)保證區(qū)塊鏈的歷史不可改變，這也是比特幣安全的一個(gè)關(guān)鍵特征。
區(qū)塊作為區(qū)塊鏈的組成單位，它是一個(gè)包含了很多交易信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。它是由一個(gè)區(qū)塊頭和接在后面的大量交易數(shù)據(jù)，區(qū)塊頭很小占整個(gè)區(qū)塊的大小不到千分之一，之所以這樣為了方便檢索和驗(yàn)證。

下面是區(qū)塊頭的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：

區(qū)塊頭數(shù)據(jù)

其中父區(qū)塊哈希值用于與前一個(gè)區(qū)塊相連接。Merkle根是用來(lái)保證該區(qū)塊數(shù)據(jù)的正確性。時(shí)間戳、難度目標(biāo)、Nonce與前面講到的“挖礦競(jìng)爭(zhēng)”有關(guān)。當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)從網(wǎng)絡(luò)接受到新區(qū)塊后，它會(huì)驗(yàn)證這些區(qū)塊，通過(guò)區(qū)塊頭中父區(qū)塊的哈希值來(lái)連接到區(qū)塊鏈上。
如下圖所示，Merkle樹(shù)是一種哈希二叉樹(shù)，它是一種用作快速歸納和校驗(yàn)大規(guī)模數(shù)據(jù)完整性的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。生成Merkle樹(shù)需要遞歸地對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行哈希，并將新生的節(jié)點(diǎn)插入到Merkle樹(shù)種，直到只剩下一個(gè)哈希節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)就是Merkle樹(shù)的根。有了Merkle根，可以快速檢驗(yàn)?zāi)骋还P交易在區(qū)塊中是否存在，當(dāng)N個(gè)數(shù)據(jù)元素經(jīng)過(guò)加密后插入Merkle樹(shù)時(shí)，最多計(jì)算2*log2（N）次就能檢查出任意某元素是否在該樹(shù)種，這樣的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)大大提高了效率。

merkle樹(shù)結(jié)構(gòu)

八、總結(jié)

比特幣設(shè)計(jì)者的初衷是建立一個(gè)自由、無(wú)中心、有序的貨幣交易世界。然而我認(rèn)為比特幣的意義遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了它本身，它所依賴(lài)的區(qū)塊鏈技術(shù)，可以在無(wú)需第三方背書(shū)情況下實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中所有數(shù)據(jù)信息的公開(kāi)透明、不可篡改、不可偽造、可追溯，有效地解決信任問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)價(jià)值的自由傳遞。這更是提供了一種全新的思路，將會(huì)被應(yīng)用到其他領(lǐng)域，例如金融資產(chǎn)交易結(jié)算、數(shù)字政務(wù)、存證防偽、數(shù)據(jù)服務(wù)等。區(qū)塊鏈技術(shù)助力其他產(chǎn)業(yè)變革，具有十分廣闊的前景。

參考資料：《精通比特幣》Andreas M Antonopoulos（文章引用了書(shū)中部分例子和圖片）