區(qū)塊鏈原本是一種基于互聯(lián)網(wǎng)的傳輸，信息編碼，加解密，驗(yàn)證技術(shù)。比特幣則是區(qū)塊鏈理論的一個(gè)具體應(yīng)用。
理解去中心化
去中心化顧名思義，是中心化的一個(gè)對(duì)立面。一個(gè)很常見的例子是，早期我們下載電影，是在一些知名的電影下載網(wǎng)站下載，電影下載網(wǎng)站有一些服務(wù)器用于存儲(chǔ)電影文件，提供給用戶進(jìn)行下載，電影文件集中存儲(chǔ)中固定的服務(wù)器上，這就是典型的中心化。
后來，一種去中心化的模式出現(xiàn)了，這就是BT下載，也被稱之為P2P（peer to peer）點(diǎn)對(duì)點(diǎn)下載。P2P下載的原理和電影網(wǎng)站完全不同，簡(jiǎn)單來說，電影并不是完整的存儲(chǔ)在一個(gè)網(wǎng)站服務(wù)器上，而是以一個(gè)一個(gè)小片段的方式存儲(chǔ)在各個(gè)不同用戶的電腦中，下載時(shí)你的電腦P2P客戶端會(huì)從不同其他用戶的電腦中下載片段，再拼接成一部完整的電影。電影以片段的方式存儲(chǔ)在眾多用戶的電腦端，沒有一個(gè)獨(dú)家的中心節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)，這就是去中心化。
理解比特幣
比特幣是去中心化理念的一種實(shí)現(xiàn)方式。它的核心規(guī)則有兩條：
比特幣的發(fā)行不是由某個(gè)固定機(jī)構(gòu)說了算（與之相對(duì)的概念就是現(xiàn)在的銀行），而是只要安裝了BTC客戶端的軟件都可以生產(chǎn)出BTC。簡(jiǎn)單來說，BTC公開了一套算法，只要算出符合其算法條件的數(shù)字，就可以獲得BTC的獎(jiǎng)勵(lì)。這樣的根據(jù)算法計(jì)算結(jié)果的過程，就是我們常說的“挖礦”。
BTC的交易記錄不是像銀行那樣記錄在單一的固定服務(wù)器上，而是所有參與BTC“挖礦”的節(jié)點(diǎn)，都會(huì)記錄，可以理解成每臺(tái)計(jì)算機(jī)都記錄著從BTC誕生開始到現(xiàn)在完整的全部交易記錄，因此不存在篡改的可能性。
從以上的規(guī)則中可以看出，BTC是完全去中心化理念的一種實(shí)現(xiàn)。但這種技術(shù)實(shí)現(xiàn)也暴露出兩個(gè)明顯的問題：
- BTC的客戶端軟件由于需要記錄全部的歷史交易記錄，因此需要巨大的存儲(chǔ)空間。
- 為了防止有人惡意生成虛假的轉(zhuǎn)賬記錄，BTC有一套很復(fù)雜的流程來確保交易記錄是真實(shí)的。這個(gè)確認(rèn)過程可能長(zhǎng)達(dá)數(shù)個(gè)小時(shí)甚至幾天。
實(shí)際上，區(qū)塊鏈解決的核心問題是信任問題。所有的金融機(jī)構(gòu)，銀行、保險(xiǎn)、券商等等，讓它們賴以生存的根本是信用，我們之所以會(huì)放心地買股票、買期貨、買紙黃金，都是因?yàn)槲覀冃湃纬洚?dāng)交易中介的機(jī)構(gòu)，而這些交易中介，就是金融活動(dòng)的中心，我們寧愿為此付出一定的手續(xù)費(fèi)、交易費(fèi)，金融機(jī)構(gòu)也因此掙得盆滿缽滿。
比特幣的基本原理
當(dāng)我們收到一條交易記錄時(shí)，例如“A給B轉(zhuǎn)了5元錢”，我們需要解決兩個(gè)問題：
- 如何確保這條消息的完整性
- 如何確保這條消息的真實(shí)性
對(duì)于第一個(gè)問題，BTC采用數(shù)字指紋的方式解決。BTC規(guī)定，任何發(fā)出信息的一方，必須同時(shí)發(fā)出原始信息的指紋（SHA-256計(jì)算得出）。那么收到信息的一方只需要用公開的SHA－256算法把原始信息也生成一個(gè)指紋，和收到的指紋比對(duì)一下，如果一致，就說明收到的信息是完整的；如果不一致，說明收到的原始信息由于某種原因被修改過了，這個(gè)原因可能是數(shù)據(jù)傳輸過程中的錯(cuò)誤，也可能是被人篡改了等等。
但因?yàn)镾HA算法是公開的，如果有一個(gè)黑客攔截了原始信息和指紋，他把原始信息修改掉，比如把“A支付5元錢給B”改為“A支付5元錢給C”，同時(shí)生成新的指紋發(fā)送給你。這該怎么辦呢？這就是我們要解決的第二個(gè)問題：如何確保信息的真實(shí)性？解決這個(gè)問題，等于也解決了信息發(fā)送方想抵賴的問題。
解決第二個(gè)問題的關(guān)鍵就是給指紋加密。BTC采用非對(duì)稱加密的方式解決這個(gè)問題。它的流程如下：
- 假設(shè)需要記賬的原始交易信息：A支付5元錢給B（以下簡(jiǎn)稱“原文”）。
- 發(fā)送方首先計(jì)算出原文的數(shù)字指紋，然后使用自己的私鑰對(duì)數(shù)字指紋進(jìn)行加密，得到一個(gè)密文。
- 發(fā)送者將原文，密文和公鑰傳播到比特幣網(wǎng)絡(luò)中，至此，信息發(fā)送步驟結(jié)束。
- BTC其他節(jié)點(diǎn)接收到此信息后，使用公鑰將密文解密，再將解密后的信息和原文的SHA256指紋進(jìn)行比對(duì)，如果相同，則認(rèn)為信息真實(shí)，添加到自己的賬本中。
一個(gè)BTC錢包本質(zhì)上就是一個(gè)公私鑰對(duì)，首先生成一個(gè)私鑰（類似于銀行卡密碼），然后由私鑰生成一個(gè)公鑰，再根據(jù)公鑰壓縮生成一個(gè)錢包地址（類似于銀行卡號(hào)）。轉(zhuǎn)賬時(shí)，通過私鑰進(jìn)行簽名，然后在賬單附上公鑰，記賬節(jié)點(diǎn)通過公鑰核對(duì)簽名和指紋，確保信息的正確性。
在比特幣網(wǎng)絡(luò)中，私鑰是動(dòng)用賬號(hào)中比特幣的唯一憑證，如果你的私鑰被盜，你就永遠(yuǎn)失去了它，打官司也要不回來，因?yàn)闆]有任何方式可以證明他的私鑰是從你這里偷走的。
比特幣的深入理解
至此，我們?nèi)ブ行幕~本的理想已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了一半，還需要解決兩個(gè)問題：
- 賬本同步問題。不同電腦上的記錄不同步，到底以誰的電腦記錄為準(zhǔn)呢？
- 如何防止同一個(gè)比特幣被重復(fù)使用？如果一個(gè)黑客，只有一枚BTC，但在極短的時(shí)間內(nèi)，散播兩條信息，一條是支付給A，另一條是支付給B。此時(shí)如果有的節(jié)點(diǎn)先收到信息A，有的節(jié)點(diǎn)先收到信息B，以哪一條為準(zhǔn)呢？
中本聰?shù)目傮w思路是這樣的：比特幣網(wǎng)絡(luò)中的所有電腦都只認(rèn)可唯一的一個(gè)賬本，任何一臺(tái)電腦在接入比特幣網(wǎng)絡(luò)時(shí)，首先要同步這個(gè)唯一的賬本，任何一臺(tái)電腦想要往這個(gè)賬本上寫入新的信息，必須完成一套繁瑣的“手續(xù)”，這套手續(xù)復(fù)雜到幾乎不太可能被同時(shí)完成兩次，即便真的發(fā)生了巧合，被同時(shí)完成了兩次甚至多次，也有一個(gè)規(guī)則可以判定哪條信息是合法的，哪條信息該被拋棄。
為什么要交區(qū)塊鏈呢，這是因?yàn)橘~本被設(shè)計(jì)成一個(gè)由“信息包”組成的長(zhǎng)鏈，而這樣的的一個(gè)信息包，就被稱為一個(gè)區(qū)塊。每個(gè)區(qū)塊都有一個(gè)唯一的自然數(shù)編號(hào)，1，2，3，4......遞增下去。編號(hào)被稱為height，不允許跳躍，也不允許中斷和重復(fù)。
第一個(gè)區(qū)塊是由中本聰創(chuàng)建的，之后開始，每一個(gè)區(qū)塊都必須嚴(yán)格遵守比特幣系統(tǒng)的規(guī)則來創(chuàng)建，一個(gè)區(qū)塊至少包含以下信息：
- 前一個(gè)區(qū)塊的數(shù)字指紋 + 固定信息 + 收到的交易記錄 + 一個(gè)隨機(jī)數(shù)
區(qū)塊鏈的奧妙之處就在于這個(gè)隨機(jī)數(shù)。中本聰規(guī)定：這個(gè)新區(qū)塊的數(shù)字指紋（一個(gè)256位的二進(jìn)制數(shù)）的前72位必須全部為0。因此，挖礦的本質(zhì)就是在獲得新區(qū)塊的記賬權(quán)，即這個(gè)隨機(jī)數(shù)的計(jì)算。
回憶一下我們前面介紹過的數(shù)字指紋的知識(shí)。因?yàn)镾HA算出來的指紋是毫無規(guī)律可循的一組數(shù)字，所以，想要滿足中本聰?shù)倪@個(gè)變態(tài)規(guī)定，唯一的辦法就只能憑運(yùn)氣湊奧數(shù)，從0開始不斷地去嘗試，直到滿足要求為止。
一旦成功的計(jì)算出這么一個(gè)隨機(jī)數(shù)，就獲得了一次記賬權(quán)力，可以給賬本上新增加一個(gè)區(qū)塊。那么，為什么要花時(shí)間找奧數(shù)，去給賬本記賬呢？因?yàn)楹锰帉?shí)在太大了。
比特幣系統(tǒng)規(guī)定，每成功增加一個(gè)區(qū)塊，這臺(tái)記賬的電腦（實(shí)際上是某個(gè)賬號(hào)）就能獲得12.5個(gè)比特幣的獎(jiǎng)勵(lì)（截止到本文寫作時(shí)的獎(jiǎng)金額），以及這個(gè)區(qū)塊中所有交易的手續(xù)費(fèi)，總額取決于交易頻繁程度（平均約2比特幣）。
正因?yàn)閵W數(shù)太難找，每個(gè)區(qū)塊平均要10分鐘才能生成一個(gè)，所以就能基本解決本節(jié)開頭提出的第一個(gè)問題“如何同步賬本”，只要有個(gè)三四分鐘的時(shí)間，足以讓所有在線的電腦同步到這個(gè)區(qū)塊了，那些不在線的電腦或者第一次運(yùn)行客戶端的電腦，上線以后必須先做一件事情，就是從相鄰的節(jié)點(diǎn)上獲取最新的賬本。
請(qǐng)注意，我用了“基本解決”這個(gè)詞，也就意味著，并沒有完全解決“賬本同步”的問題。這是因?yàn)榭倳?huì)有極小的概率兩臺(tái)礦機(jī)恰好同時(shí)找到奧數(shù)，也就意味著同時(shí)搶到了記賬權(quán)。因?yàn)榈V機(jī)實(shí)在太多了，這樣的小概率事件時(shí)不時(shí)也會(huì)發(fā)生一次，同時(shí)搶到記賬權(quán)的礦機(jī)都能將自己生成的新區(qū)塊廣播到比特幣網(wǎng)絡(luò)中。
在這種情況下，相當(dāng)于網(wǎng)絡(luò)上的其他節(jié)點(diǎn)收到了兩個(gè)合法的新區(qū)塊，因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的地域分布不同，所以，不同的節(jié)點(diǎn)收到這兩個(gè)新區(qū)塊的先后次序就會(huì)不同。此時(shí)，所有的節(jié)點(diǎn)會(huì)暫時(shí)保留兩個(gè)新區(qū)塊，并且把區(qū)塊鏈做一個(gè)臨時(shí)的分叉。
接下來，比特幣網(wǎng)絡(luò)中必然又會(huì)有其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)（礦機(jī)）搶到了記賬權(quán)，這時(shí)該節(jié)點(diǎn)就會(huì)將生成的最新區(qū)塊接到其中的一個(gè)分支上，那到底是接到新區(qū)塊1，還是新區(qū)塊2上呢？系統(tǒng)規(guī)則是：這個(gè)節(jié)點(diǎn)先收到哪個(gè)區(qū)塊，就接到哪個(gè)區(qū)塊上，同時(shí)放棄另一個(gè)區(qū)塊，然后全網(wǎng)廣播。
比特幣網(wǎng)絡(luò)上的所有節(jié)點(diǎn)在收到最新的區(qū)塊鏈后，只要發(fā)現(xiàn)其中一個(gè)分支比另外一個(gè)分支多兩個(gè)區(qū)塊了，就立即也放棄那個(gè)短的分支?？傊?，比特幣網(wǎng)絡(luò)永遠(yuǎn)只承認(rèn)更長(zhǎng)的那條分支。
因?yàn)橛辛诉@個(gè)臨時(shí)分叉的規(guī)則，所以，比特幣玩家在完成一筆交易后，不能立即認(rèn)為這筆交易是成功的，有可能會(huì)被取消，必須等到一定數(shù)量的新區(qū)塊生成后，如果交易依然沒有被取消，這才能放心地認(rèn)為交易成功了。那到底要等到多少個(gè)新區(qū)塊產(chǎn)生才能放心呢？
按照概率來說的話，小額交易有三個(gè)新區(qū)塊產(chǎn)生就夠了，但是大額交易的話，為了更保險(xiǎn)，一般認(rèn)為等到六個(gè)新區(qū)塊產(chǎn)生，就足以放心了。前面說過，每個(gè)區(qū)塊產(chǎn)生的平均時(shí)間是10分鐘，也就意味著，一筆大額交易需要一個(gè)小時(shí)左右才能確認(rèn)交易成功。
中本聰當(dāng)初設(shè)計(jì)比特幣系統(tǒng)時(shí)，規(guī)定了每一個(gè)區(qū)塊最大只能是1MB，一條交易記錄大概是0.25KB，那么一個(gè)區(qū)塊最多可以儲(chǔ)存4000多條交易記錄，如果在一個(gè)新區(qū)塊產(chǎn)生的時(shí)段中，發(fā)生的交易請(qǐng)求超過4000條，那就肯定存不下了。
我們可以算算，這個(gè)量大概是一個(gè)怎樣的交易頻率，每個(gè)區(qū)塊的平均產(chǎn)生時(shí)間是10分鐘，也就意味著，平均每秒鐘的交易量如果超過7條，那么就一定會(huì)出現(xiàn)排隊(duì)等待打包的交易記錄了。這個(gè)交易頻率實(shí)在很低，要知道支付寶一秒鐘大約要處理上萬筆交易。這一秒鐘七筆交易對(duì)于全球來說，實(shí)在是太不夠用了。
一般來說，大額交易優(yōu)先打包，小額交易中手續(xù)費(fèi)越高的交易越優(yōu)先打包，打包規(guī)則礦工有一定的自主權(quán)。比特幣交易手續(xù)費(fèi)的規(guī)則比較復(fù)雜，不同的礦工收的還不一樣，不是三言兩語能說清，但有一點(diǎn)可能會(huì)讓你感到詫異，越是大額的交易反而收費(fèi)越低，甚至免費(fèi)。交易額越小反而費(fèi)率越高。這是因?yàn)椋灰资掷m(xù)費(fèi)除了鼓勵(lì)礦工挖礦，還有一個(gè)非常重要的功能，就是防止有人惡意發(fā)布大量的小額交易造成信息擁堵。
現(xiàn)在，比特幣交易滯留是非常普遍的現(xiàn)象，很多小額交易甚至等上好幾天都確認(rèn)不了，因此，很多人不惜附加很高的交易手續(xù)費(fèi)來讓礦工提前替他們打包。
其他問題
比特幣的產(chǎn)出速度本質(zhì)上就是尋找奧數(shù)的速度，現(xiàn)在的奧數(shù)是要求前72位全部為零，如果把72改為73，那么尋找奧數(shù)的難度就立即翻一倍，同理，如果從72減為71，則難度減半。因此，系統(tǒng)只需要根據(jù)全網(wǎng)的平均算力來調(diào)節(jié)奧數(shù)的規(guī)則就可以很簡(jiǎn)單地做到?，F(xiàn)在的規(guī)則是平均每產(chǎn)生2016個(gè)新區(qū)塊后，根據(jù)產(chǎn)生這些新區(qū)塊的平均算力調(diào)節(jié)一次難度。我們也注意到，這種調(diào)節(jié)較為粗糙，只能翻倍或者減半。
為何比特幣總量上限是2100萬枚？
這個(gè)總量上限是人為規(guī)定的。中本聰設(shè)計(jì)的規(guī)則是這樣：每增加21萬個(gè)區(qū)塊后，幣獎(jiǎng)勵(lì)就減半，獎(jiǎng)勵(lì)的初始值是50比特幣，所以北京時(shí)間2009年1月4日中本聰自己創(chuàng)建的第一個(gè)創(chuàng)世區(qū)塊，就獎(jiǎng)勵(lì)給了自己50比特幣。按照平均10分鐘一個(gè)區(qū)塊的產(chǎn)出速度，大約是每隔四年會(huì)減半一次。
第一次減半發(fā)生在北京時(shí)間2012年11月29日7點(diǎn)24分，第21萬個(gè)區(qū)塊誕生，比特幣獎(jiǎng)勵(lì)減少為25個(gè)。北京時(shí)間2016年7月10日凌晨0點(diǎn)46分，第42萬個(gè)區(qū)塊誕生，這次相隔時(shí)間大約是三年零七個(gè)月，比特幣獎(jiǎng)勵(lì)再次減半，成為現(xiàn)在的12.5個(gè)。
知道了這個(gè)規(guī)則，我們就很容易根據(jù)當(dāng)前的區(qū)塊高度計(jì)算出已經(jīng)挖出的比特幣總量，截止到本文寫作時(shí)，比特幣的總量約1687萬枚。按照這樣的半衰期，大約到2140年，比特幣的產(chǎn)量就趨于零，上限是2100萬個(gè)，實(shí)際上不可能達(dá)到2100萬。比特幣允許交易的最小單位是0.00000001（10^(-8)）比特幣，這個(gè)最小值也被稱為“一聰”，這是由腳本語言支持的最小數(shù)字精度決定的，因此，比特幣的總量上限就是2100萬億聰。
中本聰為什么要人為規(guī)定一個(gè)總量上限呢？因?yàn)樗睦硐胧莿?chuàng)造一種不能濫發(fā)的貨幣，從而在理論上徹底阻斷通貨惡性膨脹。至于這種理想能不能因?yàn)橐?guī)定了上限而實(shí)現(xiàn)，是一個(gè)經(jīng)濟(jì)學(xué)問題，我沒有能力多談，只知道在經(jīng)濟(jì)學(xué)中，通貨膨脹和通貨緊縮同樣都是可怕的。
