比特币简介 | 易学教程

比特币是什么

比特币是一种基于分布式网络的数字货币。

比特币系统（广义的比特币）则是用来构建这种数字货币的网络系统，是一个分布式的点对点网络系统。

数字货币是什么

凯恩斯在《货币论》上讲，货币可以承载债务，价格的一般等价物。货币的本质是等价物，它可以是任何东西，如：一张纸，一个数字，只要人们认可它的价值。人民币，美元等作为国家信用货币，其价值由国家主权背书。

而数字货币是一种不依赖信用和实物的新型货币（一串数字），它的价值由大家的共识决定。比特币就是一种数字货币。（我们在网银，微信，支付宝的金额，准确来讲，它是信用货币的数字化，不是数字货币，不过央行也在研究比特币，准备发行数字货币）

信任从何而来：

财产只受自己的控制（私钥）
无通胀（总量不变2100万个）
没有假钞（任何作弊的支付都无法完成其他矿工的确认）
流通性好（国际汇款，需要时间很多（中间有很多的环节），但是它是点对点的直接到账）

运行原理

大家知道，在银行系统的数据库里记录着跟我们身份 id 对应的财产，下文称这样的记录为账本，如张三的卡 10 月 1 日转入 1w, 余额 10w。

比特币系统（去中心化的记账系统）也同样有这样的账本，不同银行由单一的组织负责记录，比特币的记账由所有运行系统的人（即节点，可以简单理解为一台电脑）共同参与记录，每个节点都保存（同步）一份完整的账本。

同时使用简单多数原则，来保证账本的一致性。举个例子：如果有人在自己电脑上把自己的余额从 1 万改为 1 百万，他这个账本和大多数人的账本不一致，就会被比特币系统认为是无效的。

比特币原理

账本如何验证？说明哪个账本是有效的

假设有一个账页 序号为 0 的账页交易记录如下:

账号	入账	出账	余额
王二	100		190
张三		100	30
李四	120	90	170

记账时间为：2017-10-22 10:22:02

如果此时张三将余额30改变为了300，此时如何来说明哪个账本有效呢？

方案一： 核对账本记录，少数服从多数（存在海量的数据，效率比较底下）

方案二：Hash

哈希函数：Hash (原始信息) = 摘要信息

原始信息可以是任意的信息，hash 之后会得到一个简短的摘要信息

哈希函数有几个特点:

同样的原始信息用同一个哈希函数总能得到相同的摘要信息
原始信息任何微小的变化都会哈希出面目全非的摘要信息
从摘要信息无法逆向推算出原始信息

区块链在记账是会把账页信息（包含序号、记账时间、交易记录）作为原始信息进行 Hash, 得到一个 Hash 值，如：787635ACD, 用函数表示为：

Hash(序号0,记账时间,交易记录) = 787635ACD

账页信息和 Hash 值组合在一起就构成了第一个区块。

比特币系统里约 10 分钟记一次账，即每个区块生成时间大概间隔 10 分钟

在记第 2 个账页的时候，会把上一个块的 Hash 值和当前的账页信息一起作为原始信息进行 Hash, 即：

Hash(上一个Hash值,序号1,记账时间,交易记录) = 456635BCD

这样第 2 个区块不仅包含了本账页信息，还间接的包含了第一个区块的信息。依次按照此方法继续记账，则最新的区块总是间接包含了所有之前的账页信息。

所有这些区块组合起来就形成了区块链，这样的区块链就构成了一个便于验证（只要验证最后一个区块的 Hash 值就相当于验证了整个账本），不可更改（任何一个交易信息的更改，会让所有之后的区块的 Hash 值发生变化，这样在验证时就无法通过）的总账本。

所有权问题？说明谁拥有这个货币

我们先来回顾下现实的银行系统：

首先我们需要把我们的个人信息（如身份证）给银行，银行给我们开立相对应的账户，银行在开户的时候确立了对账户的所有权。
进行支付的时候，银行对交易双方完成转账（银行在开户的时候已经知道我们对应的账户）。

同时银行会对账户信息进行保密（这点其实不能保证）。

那么比特币如何在没有第三方银行的参与下，在确保隐私的同时如何确定账户所有权的呢？

实际上比特币的账户是用地址来表示，账本上不显示个人信息，转账是把比特币从一个地址转移到另一个地址。
转账记录如这样：

{
    "付款地址":"2A39CBa2390FDe",
    "收款地址":"AAC9CBa239aFcc",
    "金额":"0.2btc"
}

接下来问题就变为了 谁有权用某个地址进行付款。

支付和所有权实际是同一个问题，如果此比特币只有我可以用来支付，那么说明我拥有所有权

比特币的解决方案是，谁拥有某个地址的私钥 (如果完全没有加密概念的人，可以简单的把私钥当作密码)，谁就能用这个地址进行支付。（所以私钥一定保管好，如果私钥泄漏，比特币就可能丢失）

比特币地址和私钥是一个非对称的关系，私钥经过一系列运算（其中有两次 Hash）之后，可以得到地址，但是无法从地址反推得到私钥。

地址： 2A39CBa2390FDe
私钥： sdgHsdniNIhdsgaKIhkgnakgaihNKHIskdgal

Hash(Hash(fun(sdgHsdniNIhdsgaKIhkgnakgaihNKHIskdgal)))  -> 2A39CBa2390FDe

银行系统银行账号和密码是完全独立的，无法互相推导，转出时需要同时验证账号和密码

这个时候问题就变为了，如何证明你拥有某个地址的私钥（在不泄漏私钥的情况下，因为私钥泄露了，别人也就可以用私钥进行对地址交易，因此就用到了非对称加密技术，需要有公钥和私钥）。

对交易信息进行签名

实际在签名之前，会先对交易信息进行 Hash 运算得到摘要信息，然后对摘要信息进行签名。过程大概是这样：

对交易进行 hash，得到一个摘要信息（Hash 值）

hash('{
     "付款地址":"2A39CBa2390FDe",
     "收款地址":"AAC9CBa239aFcc", 
     "金额":"0.2btc"
}') -> 8aDB23CDEA6

用私钥对交易摘要进行签名（付款方在安全的环境下进行，以避免私钥泄密）, 用代码表示大概是这样。

# 参数1为交易摘要
# 参数2为私钥
# 返回签名信息
sign("8aDB23CDEA6", "J78sknJhidhLIqdngalket") -> "3cdferdadgadg"

广播

在签名运算之后，付款节点就开始在全网进行广播：我支付了 0.2btc 到 AAC9CBa239aFcc , 签名信息是 3cdferdadgadg，你们来确认一下吧。

广播过程实际上是发信息到相连的其它节点，其它节点在验证通过后再转发到与之相连的节点，这样的扩散过程。

广播的信息包含了交易原始信息和签名信息

验证

其它节点在收到广播信息之后，会验证签名信息是不是付款方用私钥对交易原始信息签名产生的，如果验证通过说明确实是付款方本人发出的交易，说明交易有效，才会记录到账本中去。

（实际还会验证付款账号有没有足够的余额，我们暂时忽略这点）
验证过程实际是签名过程的逆运算，用代码表示大概过程是这样的：

# 参数1为签名信息
# 参数2为付款方地址
# 返回交易摘要
verify("3cdferdadgadg", "2A39CBa2390FDe") -> "8aDB23CDEA6"

如果验证输出的信息和原始交易信息的 hash 一致，则验证通过，记录账本，用代码表示大概是这样：

if(verify("3cdferdadgadg", "2A39CBa2390FDe")
    == hash('{"付款地址"："2A39CBa2390FDe",
              "收款地址"："AAC9CBa239aFcc",
              "金额"："0.2btc"}')) :
    # 写入账本 
    # 广播
else:
   # donothing

大家可以理解为付款地址为公钥，签名过程即为用私钥对交易摘要的加密过程，验证过程为用公钥解密的过程 (为方便大家理解，严格来讲是不准确的)。

为什么记账？（挖矿）

我们知道所有的计算和存贮是需要消耗计算机资源的（记账的过程），既然要付出成本，那节点为什么还要参与记账呢？在中本聪（比特币之父）的设计里，完成记账的节点可以获得系统给与的一定数量的比特币奖励，这个奖励的过程也就是比特币的发行过程，因此大家形象的把记账称为 “挖矿”，本文将详细讨论这个过程。

由于记账是有奖励的，每次记账都可以给自己凭空增加一定数量的个比特币（当前是 12.5 比特币，写作时每个比特币是 4 万人民币以上，大家可以算算多少钱），因此就出现大家争相记账，大家一起记账就会引起问题：出现记账不一致的问题，比特币系统引入工作量证明来解决这个问题，规则如下：

一段时间内（10 分钟左右，具体时间会与密码学难题难度相互影响）只有一人可以记账成功
通过解决密码学难题（即工作量证明）竞争获得唯一记账权
其他节点复制记账结果

工作量证明

我们了解到，每次记账的时候会把上一个块的 Hash 值和当前的账页信息一起作为原始信息进行 Hash。如果仅仅是这样，显然每个人都可以很轻松的完成记账。为了保证 10 分钟左右只有一个人可以记账，就必须要提高记账的难度，使得 Hash 的结果必须以若干个 0 开头。同时为了满足这个条件，在进行 Hash 时引入一个随机数变量。用伪代码表示一下：

Hash(上一个Hash值,交易记录集) = 456635BCD

Hash(上一个Hash值,交易记录集,随机数) = 0000aFD635BCD

我们知道改变 Hash 的原始信息的任何一部分，Hash 值也会随之不断的变化，因此在运算 Hash 时，不断的改变随机数的值，总可以找到一个随机数使的 Hash 的结果以若干个 0 开头，率先找到随机数的节点就获得此次记账的唯一记账权。（比特币的矿工很多，是以18个0开头）

交易记录集，在进行工作量证明之前，记账节点会做进行如下准备工作：

收集广播中还没有被记录账本的原始交易信息
检查每个交易信息中付款地址有没有足够的余额
验证交易是否有正确的签名
把验证通过的交易信息进行打包记录
添加一个奖励交易：给自己的地址增加 12.5 比特币

如果一个节点能够比别人更快的找到这个Hash的结果，那么整个交易就会被打包成区块记录到区块链中

我们简单分析下记账难度有多大，
在这里插入图片描述
Hash 值是由数字和大小写字母构成的字符串，每一位有 62 种可能性（可能为 26 个大写字母、26 个小写字母，10 个数字中任一个），假设任何一个字符出现的概率是均等的，那么第一位为 0 的概率是 1/62（其他位出现什么字符先不管），理论上需要尝试 62 次 Hash 运算才会出现一次第一位为 0 的情况，如果前两 2 位为 0，就得尝试 62 的平方次 Hash 运算，以 n 个 0 开头就需要尝试 62 的 n 次方次运算。

我们可以看到 Hash 值以 18 个 0 开头，理论上需要尝试 62 的 18 次方次，这个数是非常非常巨大的，我已经算不清楚了，应该是亿亿级别以上了。如此大的计算量需要投入大量的计算设备、电力等，目前应该没有单矿工独立参与挖矿了，基本都是由矿工联合起来组成矿池进行挖矿（矿池里的矿工按算力百分比来分收益）。

从经济的角度讲，只有挖矿还有收益（比特币价格不断上涨也让收益变大），就会有新的矿工加入，从而加剧竞争，提高算力难度，挖矿就需要耗费更多的运算和电力，相互作用引起最终成本会接近收益。

题外话：国内由于电力成本较低，相对收益更高，中国的算力占整个网络的一半以上

在节点成功找到满足的 Hash 值之后，会马上对全网进行广播打包区块，网络的节点收到广播打包区块，会立刻对其进行验证。

如果验证通过，则表明已经有节点成功挖出区块，自己就不再竞争当前区块打包，而是选择接受这个区块，记录到自己的账本中，然后进行下一个区块的竞争猜谜。

网络中只有最快解谜的区块，才会添加的账本中，其他的节点进行复制，这样就保证了整个账本的唯一性。

以谁的账本为准？（共识机制）

比特币没有中心机构，几乎所有的完整节点都有一份公共总帐本，那么大家如何达成共识：确认哪一份才是公认权威的总账本呢？

我们了解通过工作量证明来竞争记账，权威的总帐本是怎么达到共识的，没有完全说清楚，今天补上，实际上，比特币的共识由所有节点的 4 个独立过程相互作用而产生：

每个节点（挖矿节点）依据标准对每个交易进行独立验证

挖矿节点通过完成工作量证明，将交易记录独立打包进新区块

每个节点独立的对新区块进行校验并组装进区块链

每个节点对区块链进行独立选择，在工作量证明机制下选择累计工作量最大的区块链

共识最终目的是保证比特币不停的在工作量最大的区块链上运转，工作量最大的区块链就是权威的公共总帐本。

最长链的选择

先来一个定义，把累计了最多难度的区块链。在一般情况下，也是包含最多区块的那个链称为主链

每一个（挖矿）节点总是选择并尝试延长主链。

当有两名矿工在几乎在相同的时间内，各自都算得了工作量证明解，便立即传播自己的 “获胜” 区块到网络中，先是传播给邻近的节点而后传播到整个网络。每个收到有效区块的节点都会将其并入并延长区块链。

当这个两个区块传播时，一些节点首先收到 #3458A, 一些节点首先收到 #3458B，这两个候选区块（通常这两个候选区块会包含几乎相同的交易）都是主链的延伸，分叉就会产生，这时分叉出有竞争关系的两条链，如图：

两个块都收到的节点，会把其中有更多工作量的一条会继续作为主链，另一条作为备用链保存（保存是因为备用链将来可能会超过主链难度称为新主链）。

收到 #3458A 的（挖矿）节点，会立刻以这个区块为父区块来产生新的候选区块，并尝试寻找这个候选区块的工作量证明解。同样地，接受 #3458B 区块的节点会以这个区块为链的顶点开始生成新块，延长这个链（下面称为 B 链）。
这时总会有一方抢先发现工作量证明解并将其传播出去，假设以 #3458B 为父区块的工作量证明首先解出，如图：