文森话币:解读最全面的比特币交易核心原理合约现货未来都可期

提到比特币，在很多人印象中无非这么几种，要么是带着革命光环、科技背景的金融良药，要么是笼罩者阴谋论、传销等影子的庞氏骗局，说明大多数人对这个新生事物缺乏根本的了解，包括我身边的一些朋友，对此也是一知半解。因此我觉得有必要写篇比特币原理的入门文章，介绍下比特币的基本原理，为帮助大家快速理解，本文写的也相对简单些，只讲基本的概念，干货居多，注意食用。

比特币的发展

最早在中本聪一篇论文《比特币:一种点对点的电子现金系统》中，介绍了一种基于去中心化网络的数字货币，目的在于设计一种可以降低交易成本、保证交易匿名性以及脱离中央结算机构控制的货币体系。

2009年比特币在线交易网络上线运行，第一批总计50个比特币由中本聪本人挖到；

2010年美国一位程序员完成第一笔交易，用1万个比特币买了一个披萨（以现在汇率，这1万个比特币现在约值6000多万人民币(2017年1月)，史上最贵披萨）；

一，货币发行规则。比特币的发行是基于奖励的，每促成一个区块的生成，该节点便获得相应奖励，这样大家就有动力投入资金去维护整个交易网络的正常运行（交易网络的正常运行是需要耗费巨大算力的），目前绝大多数算力是由矿机提供的，而矿机的主要目的是为了获取奖励，这种设计使得货币发行和节点的扩充巧妙结合起来，相互激励。

二，可靠的分布式账本。分布式账本优势在于，保证了交易的不可篡改，除非你能修改整个网络节点账本的一半以上，这种可能性微乎其微。

三，匿名交易。比特币的崛起和黑市贸易、非法洗钱等是密不可分的，而这些交易需要可靠的匿名交易平台，比特币的钱包地址（相当于平时使用的银行账号）是匿名的，并且钱包地址的生成是基于密码学的，即你可以为一笔交易生成成千上万个“帐号”，真假难辨且完全匿名，增加追踪难度。

比特币基于数学原理，而非信用，就这点而论，它是现代货币进化的一个重要标志，人类第一次使用数学来作为货币的根基，比特币天生就有着相对公平、公正的基因，它为我们的经济找到一种新的可能，即摆脱有着上千年历史的中心化的金融体系，以数学的理性构建新的经济形态。

基本数学原理

比特币的数学原理，主要涉及到两个方面，一是数字签名及不对称加密技术，二是数字指纹技术，有了解数字加密技术的，可以略过该段介绍。

1，数字签名机制

数字签名是现代计算机密码学的一个重要概念，比特币的数字签名是基于不对称加密算法来完成的，具体示例如下：假如小明想向小红发送一条信息，但是这条信息可能被小张监听到，于是他俩想到一个好办法，就是通过一套商量好的加密规则，将信息加密，这样即使小张监听到内容，由于他不知道加密规则，还是破译不了这条信息内容，这叫对称加密。

对称加密场景

但是对称加密有个明显缺点是，小明需要把加密规则告知小红，小张要是能截取到加密规则，那以后小明和小红的信息交流就可以被破解，并且小张也可以假冒小明向小红发送假冒信息，因此我们需要另一套通讯规则来避免这种情况。

交易原理

比特币的交易是去中心化的，为了方便理解，我们不妨想象一个的故事，故事的主角有三个人：小明、小红、小张，小明想转一笔钱给小红，传统的交易流程应该是这样的：

1，指定结算中心用来记账，并且需要维护一个的中央账本，此图中由小张扮演此角色；

小张作为结算中心的职能

2，小明向小红支付的结算过程。

小明向小红支付100元的结算过程

我们看出，小明对小红的支付行为，是由小张代为完成，小张是通过操作账本来完成转账工作，账本是不透明的，每个人只能查到自己的账户信息，而小张则可以随意查看、操作个人账户。

3，货币的发行

我们现行的货币体系是基于信用的，事实上，我们使用的货币价值是以国家信用做支撑，是由中央银行发行货币，中央银行估算出市场需要的货币总量，再印发相应货币数量，然后主要通过商业银行以负债的形发放出去，这样货币就流通到市场上了，整个货币的发行，是以中央银行为中心，凭空印发出来的，而货币的价值很大程度依赖于我们对中央银行的信任。

4，此系统存在的问题。

显然，在这样一个结算体系中，小张的位置至关重要，所有人的账户信息被整理在一个由他维护的中央账本中，对小明和小红来说，此次支付是建立在对小张的信任上的，因此，基于中心化的交易体系有以下弊端：

1，过度依赖中央结算机构，中央结算机构有能力冻结所有人账户；

2，唯一的总账本有丢失或损害等风险；

3，交易成本相对较高，需要一个中心机构来进行所有账面操作；

4，通胀风险，由于货币由中心机构发行，存在这些机构乱发货币的风险，不过各国央行通常使用此手段来调控经济；

针对这些问题，比特币给了相对更好的解决方案，由于比特币使用分布式账本，也没有中央结算机构，因此它在底层原理上就与传统货币体系大相径庭。事实上，比特币所有的交易节点都是平等的，每个节点负责维护一个账本，隔一段时间所有账本会同步一次，比特币网络也提供了“民主”的账本决策机制，保证每时每刻只有一个有效账本，其交易大致流程如下：

小明、小红和小张三人之间需要交易，但三人互不信任，他们无法接受由其中一人单独负责记账，于是他们商定，每人自己维护一个账本，该账本无差别地记录所有交易，不依赖某一个账本。在这种情况下，每个人都是记账员，但是，每个人记账的结果可能不一样，那以谁为准呢？于是他们又商定，账本的最终版本用投票的机制保证，三人中有两人的记账结果一致，那那就强制所有人的账本和该最终版本同步，于是他们开始愉快交易起来，过程如下图：

分布式的账本同步过程

我们重新审视这个过程发生了什么：

1，交易摆脱了对中央账本的依赖，记账由所有人共同参与；

2，民主化的决策机制，半数以上的相同账本被视为有效账本，其余则被强制同步；

3，记账成本分散化，分担到整个网络中；

4，杜绝了篡改账本的可能，至少要篡改网络中半数以上的账本才可以起效；

以上便是去中心化交易的核心原理，但这个系统仍有一些致命漏洞，比如双重支付等，此处先按下不表。

真实的比特币交易是建立在密码学上的，彼此间的通讯的隐私保障由一对公钥和私钥完成，简化步骤如下：

第一步，小明想向小红转一笔钱，他先用自己私钥签名一段转账信息，该信息包含如下：

1，小明自己的钱包地址；

2，小红的钱包地址；

3，转账信息（转账金额、时间等）；

4，小明的公钥；

第二步，小明将此转账信息通过比特币网络广播至全网，全网每个节点都可以收到这个转账请求；

第三步，由其他人（小张和小强）验证这条转账信息，主要验证以下几点：

1，该信息是否由小明发出，通过小明的公钥即可验证；

2，小明的钱包地址下是否有足够金额，因为账本是公开的，所有人都可以查阅，根据交易记录即可查到小明的余额是否足够。

第四步，其他人公布验证结果，并投票决定这笔交易是否有效，如果有效则将这条交易记录保存到最新账本中，其它账本全都同步至此账本（实际上，这部分工作由很多矿工完成，这是被简化的流程，现阶段可以先这样理解）。

第五步，小红确认收款，小红通过观察同步后的最新账本即可知道是否到账。

小明向小红转账100元的场景

以上便是简化版的比特币交易流程，我们注意到，在这个流程中，进行信息验证的小强和小张扮演着至关重要的作用，这部分人便是矿工。

矿工

我想很多人对比特币的第一印象，便是矿工，经常有新闻报道某某矿工挖到多少比特币，一夜暴富之类。同时疑问也随之而来，矿工的主要工作是什么？挖矿是如何进行的？挖矿为何需要那么高的配置？

实际上矿工在比特币网络中主要工作是记账，每个矿工都持有一个账本，该账本从其它旷工中复制得来，在中本聪的设计中，谁记账速度越快，账本就以谁为准，谁获取到记账权，系统将自动奖励一定数量的比特币，因此矿工存在事实上的竞争关系，比拼的是计算机的算力。

在这种制度激励下，为了获取奖励，就会不停有矿工加入，更巧妙的是，矿工不仅承担了记账这项核心的工作，系统也通过奖励比特币起到了发行货币的效果，一举两得。

你可能会想，记账并不需要消耗太多计算机性能啊，那些矿工为何要花费巨资购置性能超群的显卡呢？这又要讲到中本聪的另外一个规则设计，他规定，所有矿工必须计算一个数字，这个数字是完全随机的，谁算对谁就可以获取记账权，而算出这个数字需要计算机不停尝试所有可能，这时谁算力强，谁就最可能算出该数字，夺取记账权，获得奖励，具体步骤如下：

1，小明广播了一个转账请求；

2，这个转账请求被所有矿工收到；

3，所有矿工开始检验这条交易请求的有效性，即通过公钥验证发送人，数字密钥验证是否被篡改，自以及该支付账号的余额是否足够；

4，验证工作完成后，矿工又开始计算一个数字，这需要耗费很大的算力，谁优先算出，谁就能获取到本次交易的记账权；

5，矿工A优先胜出，他将自己算出的结果广播出去，由其他矿工检验；

6，其他矿工检验通过，承认A记账的合法性；

7，A矿工将该条交易信息添加到自己持有的账本后面；

8，系统定时将A的账本同步至其它矿工，保证账本的一致性；

当然以上是简化的流程，实际上，矿工争夺的是区块（可理解成账本中的一页）的打包权，区块是全网10分钟内所有交易的集合，矿工获取到该区块的打包权后，盖上时间戳，再将该区块加入区块链（可理解成账本）的尾部。

账本同步问题

我们从上面描述可以看出，比特币的核心在于如何同步这些分布式账本，并防止这些账本出现大的分歧，对此问题，中本聪提出，所有账本以记录链条最长的账本为准：

比特币的账本树

当两个节点的账本记录不一致时，如上图的分支1和分支2，系统将默认链条最长的为主分支，在此图中，分支2被选为主分支，即所有账本以该分支同步。这种机制就保证了不会出现太大分叉。在比特币系统中，每隔10分钟所有节点会自动同步一次账本，将最新的分支同步到自己的账本上。

双重支付问题

存在这么一种可能，小张打算从小明和小红手上买取东西，但他计划一份钱两处花，原理如下：

1，先向小明发起正确的支付请求，等待小明确认；

2，这笔交易被确认后，最新的账本多了一个分支，该分支被小明看到并确认支付；

向小明支付的账本分支

3，小明确认收到以后，小张将自己账本的最新分支后退一次，绕过小明的支付记录，并以此为起点，向小红发起支付；

向小红支付完后的账本分支情况

4，此时账本出现两个分支，然后小张在小红这条分支上，继续交易，因为比特币会默认最长分支为主分支，那小明支付的那条分支会被忽略删除。

双重支付完成

上述问题就是所谓的双重支付，为了杜绝这种情况，中本聪提出，当一笔支付完成时，交易链条在当前交易基础上，至少增长6个交易页，才能被承认。由于每促成一个交易页，需要花费很大算力计算一个随机数，在这种规定下，小张要想实现双重支付，就必须在小红的分支页上至少再生成6个交易页，才能被承认，这其中花费的算力成本是不可估量的，即使拥有很大算力，也很难追赶上账本的自然增长，并且中本聪从数学角度证明了这种机制的可行性，这样就能防止出现双重支付。

中本聪提出的工作量证明机制，就是为了防止出现双重支付，这也是比特币在设计上优于其他电子货币的一个体现。

区块链技术

区块是一堆交易记录的集合，我们可以理解成普通记账本中的一页，每个页面记录很多不同的交易信息，这些书页按时间顺序装订起来便是区块链，分布式账本便是区块链技术的一种体现。

在比特币网络中，每个10分钟会将全网的交易打包起来，加上时间戳形成区块，并入比特币账本，此账本便是区块链。打包是由各节点竞争来决定，谁最先算出那个随机数，就由谁来负责打包记账。

区块链技术不仅应用于比特币，现在越来越受其他行业青睐，它的优点不言而喻，分布式存储结构、去中心化的决策机制，可以有效保证信息的安全性及决策的公正性，这也是比特币潜在的价值之一。

比特币身处的环境日益复杂，其能力的多样性也被不断发掘着，从最初的理想化货币到现在的多面手，比特币是否能回归到作为货币的本质，依然不得而知。现在国内的比特币市场，仍以投机为主，每年比特币价格都会急剧震荡一段时间，幕后庄家之心自不言而喻。至于比特币，它依旧在价值回归的道路上继续迷茫着。

币圈主流货币分析师，有丰富的实战操盘经验和独特的交易理念。目前是多家财经网站特约撰稿评论分析师。主流货币研究分析爱好者，对全球经济有一定的研究，因为兴趣爱好所致，花费颇多精力研究比特币的发展趋势，凭借长久以来的特殊盘感并结合多项技术分析，操作建议可执行率高。跳跃的K线，需要有趣的灵魂驾驭，欢迎币圈的投资朋友们前来咨询交流，本人V:fk67528在线交流。

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编译者/作者：文森话币

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