乾貨 | 究竟什麼是比特幣？

Hi 大家好。今天我們來聊一個最近火的一塌糊塗的話題：數字貨幣。

提起貨幣，你可能覺得再熟悉不過了。你的錢包里放著現金，銀行里有儲蓄，還有各種理財、投資。生活中的方方面面，似乎都離不開貨幣。

從人類發明貨幣那天至今，它的樣子發生過許多重大的變化，從原始粗糙的貝殼、金屬塊，到工藝精美的銅板、金幣，再到印刷考究、凝結著無數現代科技的防偽紙幣，這些都是看得見摸得著的實體貨幣。

而到了科技日新月異的今天，貨幣早已擺脫了實體形態，成為了一串虛擬的數字，也就是數字化的貨幣。比如早晨買早點，你用微信掃碼，付給賣早點的大媽 12 塊 8；再比如上個月你借給小張兩萬二買數碼產品，中午支付寶提示你收到了小張的還款，還附言說周末要請你吃飯；下午銀行發來簡訊，說你本月的房貸已經扣除，這個月又要吃土了呢。

數字化的貨幣凝結了現代科技的諸多成果，然而它仍然只是傳統貨幣的一個替代品。自從人類政府取得了貨幣的鑄造權，大部分貨幣本身的價值和它代表的價值就不再是一個概念了。例如，一張100美元紙幣的生產成本大約是7.8美分，而數字化貨幣的成本則可能更低。

在傳統的貨幣體系里，實體貨幣的價值由中央銀行的信譽來保證。例如在金本位貨幣體系里，你相信政府的承諾，用你的紙幣可以兌換等值的黃金。而數字化貨幣的價值則和實體法定貨幣掛鉤，你相信你在銀行、支付寶、微信里的賬戶餘額，可以在相應的服務機構里兌換成實體的法定貨幣。也就是說，傳統貨幣，包括數字化的傳統貨幣，其價值基於人們對於中央銀行這種權威中心機構的信任。

然而信任，並不是一件很容易達成的事情呢。如果沒有一個可信的中心機構，除了靠人品，還有什麼辦法來達成信任呢？

答案就是：多年以來，一直沒有太好的答案……

直到 2008 年，一位化名中本聰的神秘人士發表了一篇論文：《比特幣：一種點對點式的電子現金系統》，提出了一個基於區塊鏈技術的"去中心化"數字貨幣系統，它就是今天大名鼎鼎、人氣爆棚的比特幣。

比特幣不是世界上第一個不依賴權威中心機構的，所謂"去中心化"的貨幣系統，但它絕對是迄今為止世界上最成功的一個。從 2009 年比特幣系統正式啟動，到今天(2018年1月)，它已經成為一個總市值超過兩千億美金的巨大體系了。

講到這裡，可能很多朋友腦子裡已經冒出了一大堆關於「比特幣」的問題。比如：

1. 沒有一個權威中心機構，你擁有的比特幣保存在哪裡？

2. 如何確保你的錢不會被別人拿去花？

3. 如何保證你的賬戶餘額不會被黑客篡改呢？

4. 比特幣怎麼發行，如何避免比特幣數量暴增帶來的通貨膨脹呢？

帶著這些問題，可樂帶你來探索比特幣系統巧妙的設計和背後的技術。

事實上，在比特幣系統中，並不直接記錄每個賬戶的餘額，而只是記錄交易流水。

例如，你的賬戶流水顯示，從古至今，你收到過一筆來自小 A 的 10 比特幣，以及一筆來自小 C 的 20 比特幣，並且這兩筆交易的收入都沒有被你花掉。那麼你就擁有來自小 A 的 10 比特幣和來自小 C 的 20 比特幣這兩條記錄。只有把這兩筆交易收入加起來，你才能知道自己總共擁有 30 個比特幣。

而假如你打算使用 25 個比特幣買套房，並且付出 0.001 比特幣的手續費。那麼你需要創建這樣一筆交易，它的輸入為來自小 A 的 10 比特幣和來自小 C 的 20 比特幣，輸出為付給房主小 D 的 25 比特幣，以及付給你自己的 4.999 比特幣找零。

現在你已經在自己的賬本上記錄下的「支付25個比特幣給小D」，那小D認不認可這筆交易呢？當然不認可。要知道，所有比特幣的參與者都可以保存一份賬本副本，如果你無法說服所有的人都幫你記這筆帳，那麼這筆賬不會受到大家的認可。

在比特幣系統中，所有參與系統的人通過網路互相連接，以平等的身份組成了一個錯綜複雜的網路，稱作點對點網路。你要做的，就是把你的交易進行簽名，並且廣播到這個網路里去。

那麼，問題來了。該如何給交易數據簽名，來證明這筆交易是你本人發出的呢？

在日常生活中，一個獨一無二的簽名可以證明你對一筆交易做了授權，除了少數天才，很少有人能夠精確仿製出一個簽名；而在數字的世界，複製是一件及其容易的事情，如何保證你的簽名不被別人複製，從而被用於偽造你的授權呢？

這裡可樂給大家介紹一下，計算機世界裡的數字簽名是如何進行的。首先，數字簽名技術基於一種被稱為"非對稱加密"的技術。在使用這種技術時，你擁有兩個鑰匙，一個稱作公鑰，一個稱作私鑰。在計算機的世界裡，公鑰和私鑰其實是兩個數字，這兩個數字是配對使用的。公鑰，顧名思義，是可以公開給別人的，而私鑰則是需要使用方嚴格保密的。

使用私鑰，可以對一塊特定的數據進行一個計算，得出一個獨一無二的數字簽名。數據不同，輸出的數字簽名也不同。使用公鑰，可以對的消息，進行驗證。如果公鑰和私鑰是配對的，那麼驗證通過，否則驗證不會通過；通過私鑰可以很容易計算出配對的公鑰，而只知道公鑰卻極難推導出私鑰；正是由於公鑰私鑰這樣的性質，才使得我們可以用這種機制來進行數字簽名。

私鑰是你務必要妥善保存的，因為任何人掌握了你的私鑰，就意味著掌握了你的錢包，以及裡面的資產。而你的公鑰，事實上就是你的比特幣收款地址，其他人需要知道你的地址，才能轉賬給你。由於公鑰是一個又長又難記的數字，因此比特幣系統使用了一系列的編碼轉換，將公鑰表示成類似這樣(1NE5ZK9H4TBopmbq3jwin8uCjo1ZKZQNGx)的錢包地址。儘管仍然很難記，但是比原始的數字短了很多呢。

在真實的比特幣系統中，使用私鑰為一筆交易的輸入進行簽名，並且交易的輸出要綁定收款人的公鑰。例如，你之前收到來自小A 的10比特幣收入，小A使用了你的錢包地址，也就是公鑰來綁定這10比特幣，要求必須用這個公鑰對應的私鑰進行簽名，才可以花這筆錢。

當你打算花掉這10比特幣時，必須使用你的私鑰為它簽名。這樣，當網路中的其他節點收到你的交易信息，就可以用這10比特幣上綁定的公鑰，來檢驗你簽名的合法性。而你指定你的交易輸出為房主小D，也就意味著你使用小D的公鑰綁定了付給他的25比特幣。另外還有一筆找零，當然是綁定上你自己的公鑰了。

製作出一筆合法的交易記錄，然後簽名之後，需要廣播到比特幣網路中。那什麼又叫廣播到網路里去呢？簡單地說，就是把你的交易發送給網路中和你相鄰的計算機節點，然後這些節點驗證了你的交易簽名，又把它發送給他們相鄰的其他節點，一傳十，十傳百，最終你的交易就會被傳遍全網。

如果全世界都知道了這筆交易，那你就無法賴賬了。

這時，如果你再試圖創建一筆交易，把已經花掉的10比特幣和20比特幣當作輸入付給別人，網路中的所有人都會拒絕接受。不過，聰明的你可能會想，如果把買房的交易發給網路中一部分節點，而又用同一筆錢創建另一筆交易買豪車，發給網路中另一部分節點，那會產生什麼樣的結果呢?

首先，有一部分節點先收到了你的第一筆交易，他們會記錄下來，傳播出去；另一部分節點收到了你的第二筆交易，他們也會記錄下來，傳播出去。隨著時間的推移，有一些節點先後收到了你的兩筆交易。怎麼辦呢？很簡單，他們把先收到的交易記錄下來，然後認為後一筆收到的交易是不合法的，直接丟掉。

這時，網路中的節點出現了不一致：一部分節點認可你的第一筆交易，另一部分節點認可你的第二筆交易。作為一個貨幣系統，比特幣當然只會承認其中一筆。具體怎麼做呢？比特幣系統引入了一個競賽，讓節點們互相競爭，最終達成一致。

說到這裡，可樂有必要為大家介紹一下比特幣的底層技術--區塊鏈，是如何工作的。

在比特幣系統中，節點是這麼組織交易的：發生時間相近的交易會被放在一起，形成一個"區塊"，然後每個區塊按照時間順序首尾相接，後一個區塊里會寫著前一個區塊的編號，所有區塊組成一個鏈條的形狀。這個鏈條從第一個區塊（也就是創始塊）開始，到最新的一個區塊為止，記錄了比特幣歷史上所有已經確認的交易記錄。

回到剛才的問題。網路中一部分節點認可了你的第一筆交易，把它放在了新生成的區塊里；另一部分節點認可了你的第二筆交易，也把它放在了他們新生成的區塊里。那麼，誰說了算呢？

畫外音：人多的說了算唄？

嗯，一定程度上是對的，不過比特幣系統還要更複雜一點。實際上，把一個區塊打包加入到區塊鏈里，也被設計成了一件非常困難的事情。

當一個節點收集到一批交易信息，製作出來一個區塊，它還需要先把這個區塊合法化，才能把它加入到區塊鏈里，被整個網路認可。中本聰在設計比特幣系統時，要求一個區塊必須滿足一個非常苛刻的條件，才能被認為是區塊鏈里的一個合法區塊。

簡單地說，所有新產生的區塊，除了交易記錄、上一個區塊的地址等數據之外，還必須添加一個(稱作 nonce 的)小塊數據，使得整個區塊經過一個(稱作哈希計算的)數學運算之後，得到的結果滿足指定的條件。而找到滿足這樣條件的小塊數字(nonce)，至少對於現在計算機的計算能力來說，是一件非常困難的事情。

這裡，比特幣對區塊做的數學運算稱作哈希計算。在計算機科學裡，哈希計算是一系列計算的統稱，這類計算能夠將一塊數據，映射成一小串固定長度的數字，我們稱作哈希值。

哈希計算有幾個特點：

一是，給定輸入數據，可以很快計算出來它的哈希值；反之只給出哈希值，則幾乎不可能算出原始數據；

二是，輸入的數據哪怕只是改變一點點，算出來的哈希值也會發生翻天覆地的變化。

也就是說，通過哈希計算，我們的區塊(包含交易記錄、上一個區塊的地址以及額外的 一小塊數據)，會算出一個固定長度的哈希值來。比特幣系統要求合法的區塊計算出來的哈希值小於某一個閾值，因此，比特幣中的計算節點們就需要不停嘗試不同的數字，使得整個區塊的哈希值滿足條件。

由於計算產生新區塊是一件非常困難的事情，為了鼓勵網路中參與區塊鏈建設的節點，比特幣系統協議允許生成合法新區塊的節點得到兩種收益。

一種收益是交易手續費，還記得你的買房交易里有一筆 0.001 比特幣的手續費嗎？這個手續費就是獎勵給把你的交易打包進區塊鏈的節點的。這個手續費是可選的，不過包含適量的手續費可以使得你的交易更快的被打包進區塊鏈。

另一種收益來自一種稱作 coinbase 的交易，這是比特幣系統中一個特殊的交易，也是唯一一種無需包含輸入，而只有輸出的交易。比特幣系統中的所有節點都認可這個規則，計算出合法區塊的節點，可以在區塊中包含一筆這樣的交易，寫上自己的錢包地址，獎勵給自己一些比特幣。最初這個獎勵的金額是 50 比特幣，大約每四年這個獎勵金額就會減半，按照系統設計，2140年這個獎勵就消失了，目前這個獎勵大約是 12.5 比特幣。

由於 coinbase 交易"憑空"創造出了比特幣，它也是比特幣發行的唯一方式。

參與比特幣記賬的節點要通過複雜而費力的計算工作來添加新區塊，從而得到交易手續費和系統獎勵，因此這種工作也被人們形象的稱為"挖礦"，參與挖礦的計算機節點被稱作"礦機"，控制礦機的人們則自稱「礦工」。

在比特幣系統中，並非所有參與者都會選擇成為礦工。事實上，大多數參與比特幣交易的普通人，只需要讀取數據或者發起交易。

有了經濟上的利益誘惑，所有參與記賬的礦工節點，在組成一個新區塊之後，就開始不停的計算，尋找這個能使整個區塊合法的數字。所有的節點都參與競爭，每當有一個節點率先算出來了合法的區塊，它就會興奮地通知周圍的節點，把這個新的區塊廣播給大家。

而當一個節點收到了別人傳來的合法區塊，它就會先去校驗這個區塊是否滿足合法條件。如果校驗通過，也就意味著自己在剛才這場競爭中失敗了，於是它就放棄自己正在進行的計算，把別人傳來的區塊加入到自己的區塊鏈中 ，然後重整旗鼓，參與下一個區塊的計算。

再回到前面的情況，當你把用同一筆錢 買房的交易和買車的交易都發送到網路上之後：一部分節點可能先收到了買房這筆交易，於是嘗試把這筆交易加入到它們的下一個區塊里，而 這些節點稍後再收到買車這筆交易時，就簡單地忽略掉它；而另一部分節點則可能剛好相反，它們嘗試把買車這筆交易加入到它們下一個區塊里。在絕大多數情況下，只有一方能夠先勝出。假設買房的交易先勝出，那麼當包含這筆交易的區塊迅速被網路上所有節點都認可之後，買車這筆交易就再也沒有機會被人接受了。

此外，由於在產生新區塊非常困難，想篡改區塊鏈中的交易記錄（造分叉）也成了一件很困難的事情。假設你付給房主小 D 房款之後，你的交易被打包到了一個最新的區塊 X 里，而 X 的上一個區塊是 W。如果你想賴賬，抹掉這筆交易，那麼你需要把區塊 X 里的交易拿出來，去掉你的交易，重新計算一個新的區塊 X_1。如果你成功了，那就意味著你在w之後製造了一個區塊鏈的分叉。

這時比特幣系統有一個簡單的策略來彌合分叉這種不一致的情況。那就是：所有比特幣網路中的節點，都只在當前最長的區塊鏈分叉上計算新塊，而忽略較短的分叉。

此時網路中所有其他的節點都在嘗試往 X 之後構建新的區塊 Y，你必須趕在他們之前構造出區塊X_1，然後在其他人算出 Y 之前，計算出X_1 後的新區塊 Y_1，這樣才能說服所有人放棄 X，切換到 X_1 和 Y_1 這個分支上來。除非你的計算能力爆棚，超過了全網計算能力的 50%，否則這已經是一件幾乎不可能完成的任務了。

那如果你想篡改的交易 X 之後，已經被計算出來若干個新區塊了呢？你必須從 X 開始逐一重新計算，試圖製作出來一條更長的區塊鏈分支來說服大家。這不僅是幾乎不可能的事情，而且會讓嘗試做這樣事情的人損失巨大的能源、計算機節點資源。有這個能力，你完全可以做個正常的礦工，賺取每個區塊產生的收益。因此，你的交易在區塊鏈里時間越久，前面產生的新區塊越多，你的交易也就越安全。

雖然由偽造導致的分叉在實際情況中不常發生，但因為不同節點收到交易的先後順序不同、選擇策略不同，而網路則又不總是可靠，比特幣偶爾也會出現分叉。

產生區塊的過程稱為工作量證明方法，這種方法使得篡改、偽造區塊鏈變得代價高昂，從而確保了在沒有中心權威的情況下，參與系統的各方出於保障自己的經濟利益的目的，去遵守和維護系統規則。這樣就使得人們對系統產生了信任，從而賦予了比特幣價值。

怎麼樣，是不是非常精巧和神奇呢？

來源：可樂編程

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