十分钟带你认识比特币

2017-01-12 13:28:00

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

   比特币有着颇具奇幻色彩的发展历史，而它的实际发展史却只有短短的8年时间，它自2008年金融危机开始萌芽，当时各国为应对危机纷纷出台宽松货币政策，主权货币信用跌至冰点，信用货币的缺点暴露无遗，换言之，基于国家信用的货币体系，显得不那么可靠了。比特币就此诞生，它的根基着眼于数学而非信用，把整个交易体系的可靠性寄托在密码学上，基于数学之上的是交易规则的创新。   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）；   2011年是比特币较为黑暗的一年，出现了多起黑客偷窃事件，以及全球最大的网络黑市丝绸之路（SilkRoad）将比特币纳入结算方式，以提高其网站的匿名性，开始了比特币暗黑的一面，高度的匿名化也为非法行为提供了绝好的工具；   此后比特币便顺风顺水，对人民币汇率甚至一度接近1万，假如你在09年投资至今，投资回报率至少在1000倍以上；   短短8年时间，一个乌托邦般的理想主义货币计划，到现在总市值近200亿美金，中本聪去中心化的货币设计，不得不说非常成功。当然除金融行业的发展背景，比特币本身有这以下几个优良的特性，才使它的规模得以日益扩大。    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。    非对称加密 可以有效解决上述问题。首先，小明需要一对公钥和私钥，公钥和私钥是成对存在的，公钥由私钥通过一个不可逆的数学公式生成，公钥和私钥遵循以下规则：

1，用公钥加密的信息，可以用私钥解密，但反过来不可以；
2，用私钥签名的信息，可以用公钥验证，即验证签名；

   有了上述规则我们就可以设计如下的信息交互场景：

使用私钥签名、公钥验证场景

   我们从上图可以看出，在这种情况下，整个系统没有人可以假冒小明发信息，因为只有小明知道自己的秘钥，这种设计可以有效保证发信人的不被恶意伪冒。    当然，这套机制也可以进行加密的信息传输：

公钥加密、私钥解密示例

   以上就是数字签名及不对称加密的主要内容了，两者配合使用，可以保证交易的安全性，而签名算法的大概原理，可以用下面一个简单的数学例子来说明：

我们对两个数求和，比如2+8=10，这个结果只需一次运算就可以验证，但是由10推理出2和8就相对困难了，因为有很多种可能性。这说明我们可以找出一个不可逆或很难逆向求解的数学算法，用这个算法来实现来非对称加密。

   实际上，比特币使用的是 椭圆曲线数字签名算法 （SECP256K1），该算法可以很大程度保证该交易过程不被破解，我们在平时使用时完全不必担心。比特币钱包地址的生成也是基于该算法，首先由随机字符串产生一个秘钥，再通过秘钥使用算法产生公钥，该公钥经过一定变换生成比特币钱包地址，也就是说，我们只要知道随机种子或者秘钥，就可以推算出钱包的地址，但该过程不可逆， 因此保护好自己的秘钥非常重要 。

2，数字指纹

   假如小明发送信息给小红，小红如何验证这条信息没有被小张截取后篡改过呢？小明想了个聪明的办法，他事先把发送的信息通过一些变换，生成了一段字符串，原始信息要是被篡改，那这段字符串也会发生很大变化，随后将两端报文发送给小红。小红接到后先将接受到的信息进行相同变换，得到一个字符串，再将该字符串和小明生成的字符串比较，如果相等，就说明该条信息没有被篡改过。流程如下：

1，小明将发送的信息通过一个算法变换，得出一个指纹字符串。
2，将该信息和对应的指纹字符串发送给小红。
3，小红提取出该信息，并进行相同变换，得出第二个指纹字符串。
4，小红通过对比两个字符串，即可得出信息是否被篡改过。

   我们将上述过程称为数字指纹技术，这种技术被广泛用于比特币交易系统中，常见的数字指纹算法有MD5/SHA1/SHA256等， 注意数字指纹也是不可逆的，即不可能通过指纹字符串逆推出原始信息 。

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。

比特币钱包

   由于比特币账本公开，意味着所有人都有权查看每一笔交易，所有交易记录都是透明可见的，那它如何实现匿名交易呢？这就涉及到比特币钱包地址的生成机制，在比特币网络中，钱包地址这个概念相当于我们日常使用的银行账户，密钥相当于对应的账户密码，不同之处在于，比特币没有开户过程，不用通过身份认证，我们想要获取一个钱包地址非常简单:

第一步，生成一个随机字符串（也可以自己定义一个口令）;
第二步，由此字符串或口令（私钥）经过变换(散列变换SECP256K1），生成公钥;
第三步，生成的公钥经过重新编码(BASE58)，生成钱包地址，公钥和钱包地址是可逆的，两者在密码学上等价;

    由上面流程可以看出，我们可以离线生成大量钱包地址，且这些钱包没有被实名登记，相当于我们可以生成大量没有用户的银行账号，甚至为每一笔交易生成多个钱包地址，加大追踪难度，有效藏匿财富，如钱包应用BLOCKCHAIN就为每次交易生成单独的钱包地址。    那如果政府强制钱包地址实名登记呢？比特币钱包的生成不依赖任何机构，离线即可生成，无法做到完全的实名登记。    从比特币钱包的生成原理，发展出一个很有意思的概念，即 脑钱包 ，它是这样运作的：

1，使用者想象一段文字，可以是任何东西，只有使用者知道；
2，用这段文字生成密钥；
3，用密钥生成钱包地址；

     因此，只要使用者知道那段初始文字，随时都可以再现出钱包密钥和地址，只要这段初始文字不泄密，那钱包对应的财富就是安全的，不必需要银行卡、存折等，只需要记住一段文字。     假设你是一个贪官或犯罪分子，需要接受一笔汇款，于是你想象出来一段只有自己知道密语，并用该密语生成比特币钱包，然后将钱包地址发给对方，对方用人民币或美元兑换为比特币，再将这些比特币转入你指定的钱包地址，一次非法交易就完成了。在这个过程中，你是完全匿名的，唯一最重要的密语存在自己大脑中，不需要用虚假身份开户，并且随时可以兑现，更重要的是不会走银行结算体系。      从这点来讲， 比特币可以有效降低了受贿、洗钱、非法交易等的监管风险。

比特币的价值回归

   诚然，比特币汇率屡创新高，但仍旧很难认清比特币真正的价值支撑，在长达近8年的发展历程中，比特币始终没能回归到它的货币本质，从现在发展看，比特币仍将有很长一段时期会摇摆着寻找自己的价值锚点。当今比特币的价值聚焦在如下几个方面：    1，稀缺性 ，比特币的发行是个收敛的过程，每隔一段时间奖励减半，即货币发行量减半，随着时间增长，最终比特币会减产至0个，至此所有比特币发行完毕，数目稳定在2100万个，长期来看比特币还是有一定投资价值，就这点来讲，比特币和黄金更像；    2，技术价值 ，由比特币衍生出来的区块链技术，已经慢慢开始应用的其他领域，这种技术对相关行业的价值自不可估量，国外已有多家银行将区块链技术应用到具体业务中，提高自身业务效率，但技术价值不能算作比特币自身价值。    3，黑色产业 ，比特币自上线就深得黑产的喜爱，最著名的莫过于丝绸之路（SilkRoad），该网站大量出售违禁品，小到毒品大到枪械军火，应有尽有。比特币涉及的非法领域，很难估算规模，但通过比特币换汇、洗钱确实能容易点，我们只能揣测存在大量的和比特币相关的地下产业。    4，货币本质 ，实际上，比特币现在的货币属性相当微弱，整个亚太地区，也没有几家支持比特币支付的线下商店，尽管它确实是一种流通中的货币。比特币要不想沦为单纯的投资物品，就需要加强自己的货币属性，回归它的货币本质。     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。