[導(dǎo)讀]大家好，我是小林。最近這段時(shí)間，虛擬貨幣頻頻沖上熱搜，比特幣、以太坊、狗狗幣各種技術(shù)名詞層出不窮，搞得大家眼花繚亂的。而且虛擬機(jī)貨幣大漲大跌的事情頻頻出現(xiàn)，不過(guò)講真這東西我沒(méi)有碰，因?yàn)楸种缚床欢臇|西，絕不碰」。否則自己就是一個(gè)賭徒，再加上搞這種，每天肯定會(huì)花大量時(shí)間來(lái)看盤，...
大家好，我是小林。最近這段時(shí)間，虛擬貨幣頻頻沖上熱搜，比特幣、以太坊、狗狗幣各種技術(shù)名詞層出不窮，搞得大家眼花繚亂的。而且虛擬機(jī)貨幣大漲大跌的事情頻頻出現(xiàn)，不過(guò)講真這東西我沒(méi)有碰，因?yàn)楸种?strong>看不懂的東西，絕不碰」。否則自己就是一個(gè)賭徒，再加上搞這種，每天肯定會(huì)花大量時(shí)間來(lái)看盤，極大消耗的精力。正所謂內(nèi)行看門道，外行看熱鬧，咱們也不能光吃瓜看熱鬧，也得看看里面的門道。身為技術(shù)人，我也對(duì)比特幣這個(gè)玩意到底是什么感到好奇，是由什么技術(shù)支撐的呢？我在「阮一峰」的博客那，發(fā)現(xiàn)他之前寫這篇很通熟易懂，是一個(gè)能了解比特幣來(lái)龍去脈的機(jī)會(huì)，特此分享給大家。
比特幣的開(kāi)始
比特幣（bitcoin）誕生于 2008 年的一篇論文。一個(gè)署名為中本聰?shù)娜?，提出了革命性的?gòu)想：讓我們創(chuàng)造一種不受政府或其他任何人控制的貨幣！這個(gè)想法堪稱瘋狂：一串?dāng)?shù)字，背后沒(méi)有任何資產(chǎn)支持，也沒(méi)有任何人負(fù)責(zé)，你把它當(dāng)作錢付給對(duì)方，怎么會(huì)有人愿意接受？但是，狂想居然變成了現(xiàn)實(shí)。隨后的幾年，在全世界無(wú)數(shù)愛(ài)好者的支持下，比特幣網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行起來(lái)了，越來(lái)越多的人和資本參與，星星之火，終成燎原。剛剛過(guò)去的 2017 年，比特幣迎來(lái)了爆發(fā)式的增長(zhǎng)，從年初的1000美元，最高漲到了2萬(wàn)美元，全世界都為之震動(dòng)，上到政府，下到普通百姓都在關(guān)注。事實(shí)就是比特幣已經(jīng)并將繼續(xù)改變世界。新聞媒體往往只關(guān)注它的火爆表現(xiàn)，忽視或者無(wú)法回答一些基本的問(wèn)題。- 比特幣的原理是什么？
- 為什么這個(gè)無(wú)人管理的體系可以成功運(yùn)作？
- 比特幣交易的流程是怎么回事？
- 它與區(qū)塊鏈又是什么關(guān)系？
一、非對(duì)稱加密
首先，理解比特幣，必須理解非對(duì)稱加密。PS：小林我之前寫過(guò)非對(duì)稱加密的文字，想更深入的可以這篇：硬核！30 張圖解 HTTP 常見(jiàn)的面試題你可能聽(tīng)說(shuō)過(guò)這個(gè)詞，所謂非對(duì)稱加密，其實(shí)很簡(jiǎn)單，就是加密和解密需要兩把鑰匙：一把公鑰和一把私鑰。公鑰是公開(kāi)的，任何人都可以獲取。私鑰是保密的，只有擁有者才能使用。他人使用你的公鑰加密信息，然后發(fā)送給你，你用私鑰解密，取出信息。反過(guò)來(lái)，你也可以用私鑰加密信息，別人用你的公鑰解開(kāi)，從而證明這個(gè)信息確實(shí)是你發(fā)出的，且未被篡改，這叫做數(shù)字簽名。現(xiàn)在請(qǐng)?jiān)O(shè)想，如果公鑰加密的不是普通的信息，而是加密了一筆錢，發(fā)送給你，這會(huì)怎樣？首先，你能解開(kāi)加密包，取出里面的錢，因?yàn)樗借€在你手里。其次，別人偷不走這筆錢，因?yàn)樗麄儧](méi)有你的私鑰。因此，支付可以成功。這就是比特幣（以及其他數(shù)字貨幣）的原理：非對(duì)稱加密保證了支付的可靠性。由于支付的錢必須通過(guò)私鑰取出，所以你是誰(shuí)并不重要，重要的是誰(shuí)擁有私鑰。只有擁有了私鑰，才能取出支付給你的錢。（事實(shí)上，真實(shí)的交易流程稍有不同，私鑰保證的不是取出支付給你的錢，而是保證只有你能把這些屬于你的錢支付出去，詳見(jiàn)后文。）二、比特幣錢包
對(duì)于比特幣來(lái)說(shuō)，錢不是支付給個(gè)人的，而是支付給某一把私鑰。這就是交易匿名性的根本原因，因?yàn)闆](méi)有人知道，那些私鑰背后的主人是誰(shuí)。所以，比特幣交易的第一件事，就是你必須擁有自己的公鑰和私鑰。你去網(wǎng)上那些比特幣交易所開(kāi)戶，它們會(huì)讓你首先生成一個(gè)比特幣錢包（wallet）。這個(gè)錢包不是用來(lái)存放比特幣，而是存放你的公鑰和私鑰。軟件會(huì)幫你生成這兩把鑰匙，然后放在錢包里面。根據(jù)協(xié)議，公鑰的長(zhǎng)度是 512 位。這個(gè)長(zhǎng)度不太方便傳播，因此協(xié)議又規(guī)定，要為公鑰生成一個(gè) 160 位的指紋。所謂指紋，就是一個(gè)比較短的、易于傳播的哈希值。160 位是二進(jìn)制，寫成十六進(jìn)制，大約是 26 到 35 個(gè)字符，比如?1BvBMSEYstWetqTFn5Au4m4GFg7xJaNVN2。這個(gè)字符串就叫做錢包的地址，它是唯一的，即每個(gè)錢包的地址肯定都是不一樣的。你向別人收錢時(shí)，只要告訴對(duì)方你的錢包地址即可，對(duì)方向這個(gè)地址付款。由于你是這個(gè)地址的擁有者，所以你會(huì)收到這筆錢。由于你是否擁有某個(gè)錢包地址，是由私鑰證明的（具體的證明方法稍后介紹），所以一定要保護(hù)好私鑰。這是極其重要的，如果你的私鑰被偷了，你的比特幣也就等于沒(méi)了，因?yàn)樗丝梢悦坝媚愕纳矸萘?，把錢包里面的錢都轉(zhuǎn)走。同樣的，你向他人支付比特幣，千萬(wàn)不能寫錯(cuò)他人的錢包地址，否則你的比特幣就支付到了另一個(gè)不同的人了。三、交易過(guò)程
下面，我把整個(gè)流程串起來(lái)，看看比特幣如何完成一筆交易。一筆交易就是一個(gè)地址的比特幣，轉(zhuǎn)移到另一個(gè)地址。由于比特幣的交易記錄全部都是公開(kāi)的，哪個(gè)地址擁有多少比特幣，都是可以查到的。因此，支付方是否擁有足夠的比特幣，完成這筆交易，這是可以輕易驗(yàn)證的。問(wèn)題出在怎么防止其他人，冒用你的名義申報(bào)交易。舉例來(lái)說(shuō)，有人申報(bào)了一筆交易：地址 A 向地址 B 支付10個(gè)比特幣。我怎么知道這個(gè)申報(bào)是真的，申報(bào)人就是地址 A 的主人？比特幣協(xié)議規(guī)定，申報(bào)交易的時(shí)候，除了交易金額，轉(zhuǎn)出比特幣的一方還必須提供以下數(shù)據(jù)。- 上一筆交易的 Hash（你從哪里得到這些比特幣）
- 本次交易雙方的地址
- 支付方的公鑰
- 支付方的私鑰生成的數(shù)字簽名
- 第一步，找到上一筆交易，確認(rèn)支付方的比特幣來(lái)源。
- 第二步，算出支付方公鑰的指紋，確認(rèn)與支付方的地址一致，從而保證公鑰屬實(shí)。
- 第三步，使用公鑰去解開(kāi)數(shù)字簽名，保證私鑰屬實(shí)。
四、交易確認(rèn)與區(qū)塊鏈
確認(rèn)交易的真實(shí)性以后，交易還不算完成。交易數(shù)據(jù)必須寫入數(shù)據(jù)庫(kù)，才算成立，對(duì)方才能真正收到錢。比特幣使用的是一種特殊的數(shù)據(jù)庫(kù)，叫做區(qū)塊鏈（blockchain），本文只討論交易如何寫入?yún)^(qū)塊鏈。首先，所有的交易數(shù)據(jù)都會(huì)傳送到礦工那里。礦工負(fù)責(zé)把這些交易寫入?yún)^(qū)塊鏈。根據(jù)比特幣協(xié)議，一個(gè)區(qū)塊的大小最大是 1MB，而一筆交易大概是 500 字節(jié)左右，因此一個(gè)區(qū)塊最多可以包含 2000多 筆交易。礦工負(fù)責(zé)把這 2000 多筆交易打包在一起，組成一個(gè)區(qū)塊，然后計(jì)算這個(gè)區(qū)塊的哈希。計(jì)算哈希的過(guò)程叫做采礦，這需要大量的計(jì)算。礦工之間也在競(jìng)爭(zhēng)，誰(shuí)先算出哈希，誰(shuí)就能第一個(gè)添加新區(qū)塊進(jìn)入?yún)^(qū)塊鏈，從而享受這個(gè)區(qū)塊的全部收益，而其他礦工將一無(wú)所獲。一筆交易一旦寫入了區(qū)塊鏈，就無(wú)法反悔了。這里需要建立一個(gè)觀念：比特幣不存放在錢包或其他別的地方，而是只存在于區(qū)塊鏈上面。區(qū)塊鏈記載了你參與的每一筆交易，你得到過(guò)多少比特幣，你又支付了多少比特幣，因此可以算出來(lái)你擁有多少資產(chǎn)。五、礦工的收益
交易的確認(rèn)離不開(kāi)礦工。為什么有人愿意做礦工呢？比特幣協(xié)議規(guī)定，挖到新區(qū)塊的礦工將獲得獎(jiǎng)勵(lì)，一開(kāi)始（ 2008 年）是 50 個(gè)比特幣，然后每4年減半，目前（ 2018 年）是 12.5 個(gè)比特幣。這也是比特幣的供給增加機(jī)制，流通中新增的比特幣都是這樣誕生的。你可能看出來(lái)了，每 4 年獎(jiǎng)勵(lì)減半，由于比特幣可以分割到小數(shù)點(diǎn)后八位，那么到了2140 年，礦工將得不到任何獎(jiǎng)勵(lì)，比特幣的數(shù)量也將停止增加。這時(shí)，礦工的收益就完全依靠交易手續(xù)費(fèi)了。所謂交易手續(xù)費(fèi)，就是礦工可以從每筆交易抽成，具體的金額由支付方自愿決定。你完全可以一毛不拔，一分錢也不給礦工，但是那樣的話，你的交易就會(huì)沒(méi)人處理，遲遲無(wú)法寫入?yún)^(qū)塊鏈，得到確認(rèn)。礦工們總是優(yōu)先處理手續(xù)費(fèi)最高的交易。目前由于交易數(shù)量猛增，手續(xù)費(fèi)已經(jīng)水漲船高，一個(gè)區(qū)塊 2000 多筆交易的手續(xù)費(fèi)總額可以達(dá)到 3～10 個(gè)比特幣。如果你的手續(xù)費(fèi)給低了，很可能過(guò)了一個(gè)星期，交易還沒(méi)確認(rèn)。一個(gè)區(qū)塊的獎(jiǎng)勵(lì)金 12.5 個(gè)比特幣，再加上手續(xù)費(fèi)，收益是相當(dāng)可觀的。按照目前的價(jià)格，可以達(dá)到 100 萬(wàn)～ 200 萬(wàn)人民幣。想想看，運(yùn)氣好的話，幾分鐘就能挖到一個(gè)區(qū)塊，拿到這樣一大筆錢，怪不得人們對(duì)挖礦趨之若鶩。六、區(qū)塊的擴(kuò)容
《區(qū)塊鏈入門教程》說(shuō)過(guò)，比特幣協(xié)議規(guī)定，平均 10 分鐘誕生一個(gè)區(qū)塊。區(qū)塊的大小只有 1MB，最多只能包含 2000 多筆交易。也就是說(shuō)，比特幣網(wǎng)絡(luò)每 10 分鐘，最多只能處理 2000 多筆交易，換算一下，就是處理速度為 3～5 筆/秒。全世界的比特幣交易這么多，可是區(qū)塊鏈每秒最多只能處理5筆，這已經(jīng)成為制約比特幣發(fā)展的一個(gè)瓶頸。很早就有人呼吁，改革比特幣協(xié)議，提升處理速度。這件事在2017年8月有了一點(diǎn)眉目，當(dāng)時(shí)區(qū)塊鏈發(fā)生了一次分叉，誕生了一個(gè)新協(xié)議，稱為?Bitcoin Cash（簡(jiǎn)稱 BCH）。這種新貨幣其他方面都與比特幣一致，就是每個(gè)區(qū)塊的大小從 1MB 增加到了 8MB，因此處理速度提升了8倍，手續(xù)費(fèi)也低得多。該協(xié)議是對(duì)原有區(qū)塊鏈的分叉，因此當(dāng)時(shí)持有比特幣的人，等于一人獲贈(zèng)了一份同樣數(shù)量的 BCH。BCH 等于創(chuàng)造了一種新貨幣，還有人提議，原始比特幣的區(qū)塊大小提升到 2MB，這稱為 SegWit2x 。這個(gè)建議原定于2017年11月實(shí)施，但是最后一刻由于缺乏共識(shí)，就被取消了，目前還在討論中。七、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)
比特幣是一個(gè)全世界的開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)，只要你有服務(wù)器，就能加入這個(gè)網(wǎng)絡(luò)，成為一個(gè)節(jié)點(diǎn)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都包含了整個(gè)區(qū)塊鏈（目前大概 100多 GB），并且節(jié)點(diǎn)之間時(shí)刻不停地在同步信息。當(dāng)你發(fā)生了一筆支付，你所在的節(jié)點(diǎn)就會(huì)把這筆交易告訴另一個(gè)節(jié)點(diǎn)，直至傳遍整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。礦工從網(wǎng)上收集各種新發(fā)生的交易，將它們打包寫入?yún)^(qū)塊鏈。一旦寫入成功， 礦工所在節(jié)點(diǎn)的區(qū)塊鏈，就成為最新版本，其他節(jié)點(diǎn)都會(huì)來(lái)復(fù)制新增的區(qū)塊，保證全網(wǎng)的區(qū)塊鏈都是一致的。最后，你所在的節(jié)點(diǎn)也拿到了最新的區(qū)塊鏈，從而得知你早先的那筆交易，已經(jīng)寫在里面了，至此交易確認(rèn)成功。來(lái)源：阮一峰的網(wǎng)絡(luò)日志，作者：阮一峰
參考鏈接
- How Bitcoin works , by Timothy B. Lee
- Bitcoins the hard way: Using the raw Bitcoin protocol, by Ken Shirriff
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