区块链启示录：中本聪文集一：前言 | 比特币的工作原理（上）

Posted 2021-12-10 溢流眼泪

【区块链启示录：一】中本聪文集

• 01-前言
• 02-比特币的工作原理
• • 比特币区块链：公开记账
  • 非对称加密：谁能花费那些比特币
  • 网络矿工充当铸币工、记账员和系统监管员

• 一个新的系列，主要是学习《区块链启示录：中本聪文集》 来学习区块链的基础知识。

01-前言

• 比特币依靠一套软件系统的支持，这套软件的蓝图（源代码）对所有人开放，任何人都可以随意修改以适应自己的需要。这些团建自行定义了通用的网络协议，互联网上的大量计算机通过这套协议连接起来，目前比特币就运行在这些计算机上。
  这套软件中的数字货币称为比特币 $bitcoin$，首字母小写，简称为 $BTC$。
• 比特币既是一种虚拟货币又是一套支付体系，它代表了一个革命性的概念。在比特币采购时，买家只需要提供与采购相关的信息即可完成交易。而用信用卡支付时买家必须提供足够的个人信息，而这容易导致信息欺诈，且非常不便利。
• 比特币除了支付系统的便捷性，其供应量应该是由软件及其底层协议确定的。最终只可能会有 $2100$ 万枚比特币。最后一枚比特币预计在 $2140$ 年产生。
• 看起来 $2100$ 万枚比特币根本不够 $70$ 亿人口使用，但是这种货币高度可分割。目前该软件所允许的最小面额是 $1e-8BTC$ ，这个面值叫 $1$ 聪。所以比特币的最大供应量是 $2100$ 万亿聪。
• 比特币是由一位（或一群）叫中本聪的匿名人士创造的。当时他（后文简称他）发表了第一篇公开的网络论坛文章，公布了他的比特币论文。他的新软件当时还在研发的早期阶段，而比特币则是前期的一个小实验。他与外界交流仅限于电子邮件，并只持续了两年，之后杳无音讯。在比特币蓄势待发，并开始收到广泛关注之际，中本聪退出了公众的视线。这一切始于他发表的《比特币：一种点对点的电子现金系统》，在 $2008.11.1$ 发布。
• $2009$ 年年初，创始区块问世。六天后，他发布了比特币 $0.01$ 版的源代码。早期一枚比特币的价值在很短时间就从 $10$ 美分长到了 $1$ 美元。
• 不管比特币最终会如何发展，这套软件已经让世人接受了一个新概念。且已经延伸出去了许多新概念的数字货币，比如真相币，还有以太坊。

02-比特币的工作原理

比特币区块链：公开记账

• 比特币网络的所有成员共享一本公开账本，即区块链。大约每十分钟增加一页新账本页，其中包含着由世界各地的付款人发起的最新比特币交易。这本巨大的账本对互联网上运行比特币软件的人一直保持开放。
• 在比特币术语中，组成账本的页面成为区块，因为他们就像“块状”的数据。区块链由许多单独的区块组成，长度在不断地增长，包含从 $2009$ 年 $1$ 月比特币推出以来发生的所有交易。
• 比特币交易请求包含一下内容：
  1. 付款人的比特币地址，其中包含了支付的资金来源
  2. 收款人的比特币地址
  3. 需要转让的比特币数量
• 由于区块链包含了所有与付款人的比特币地址相关联的出入账历史，管理着比特币网络的矿工可以证实付款人有足够的钱支付。所有人在任何时间都可以查看指定比特币地址链接的比特币的数量。

非对称加密：谁能花费那些比特币

• 比特币采用了一种非对称加密系统（也称公钥加密系统），该加密算法需要一对密钥，其中每个密钥由一长串数字或字符组成。一个密钥是公开的，用于解密操作，另一个是私钥，负责加密操作，反之亦然。
• 算法很容易创建私钥并导出相应的公钥，然而却无法从相应的公钥通过计算反推其私钥。因此，公钥是公开的，收款人可以用公钥取到交易信息，使比特币转账得以继续进行。
• 比特币软件的算法只允许私钥持有者“支取”关联在该比特币地址上的比特币。收款人把自己的比特币地址告诉付款人。比特币的发送者用私钥对比特币交易进行数字签名。比特币交易实际上包含了相应的公钥。系统使用该公钥校验数字签名的有效性，从而确认发送者确实就是私钥持有者。系统允许私钥持有者使用公开账本里与其比特币地址相关的比特币，随后公开账本（即区块链）用包含这次交易的新账本页（即区块）进行更新。将新交易加入区块链然后公告比特币网络。
  

网络矿工充当铸币工、记账员和系统监管员

• 比特币是一个分布式体系，由一群自愿参与的计算节点来共同负责，这些矿工分布在世界各地。记账和支付授权可以由不同实体进行操作。
• 矿工是负责比特币网络运作的计算节点，它负责验证交易的有效性，并且包含最新交易的新区块定期更新区块链。比特币软件由每台计算机上的矿工运行，包含了一组规则和约定构成的比特币协议。
• 比特币网络要求区块链（公开账本）持续更新，添加新的区块（账本页）。虽然所有矿工都在产生下一个区块，但只有一个矿工会被选中，由它产生的特定版本区块将会被添加到区块链中。每个矿工在创建自有版本的下一个区块时都是为了自身的利益，这样可以从中收取该区块交易中的交易费。虽然比特币交易中像付款人、收款人、金额这样的核心参数不能更改，但大部分交易都包含了由付款人支付的交易费，如果某矿工产生的区块被选中加入了区块链，那么该区块中的交易费就都可以记录到该矿工的账户。因此，该矿工要更新其中的每笔交易，并将这些交易的交易费记入自己的比特币地址。
• 除了交易费，有幸将区块加入区块链的矿工还会额外赚到一笔新“铸造”的比特币存款。矿工创建一笔额外的交易，将新铸造的比特币加入自己的比特币账户。这笔钱叫区块奖励。$2014$ 年，比特币协议允许每个新区块给矿工分配 $25$ 枚新比特币，这是在收取交易费的基础上额外赠送的。
• 因为生成区块并选入区块链能赚到新比特币，所以矿工竞相努力挖矿。这个选择过程的运作细节在后面解释，暂时可以先将其当成是计算一个执行昂贵的数学问题。找到问题的答案很难，但是验证答案的正确性很容易。第一个找到区块问题答案的矿工可以向全网的矿工公布该区块。
• 矿工在收到区块及其问题答案后就开始着手验证，证明区块找到的答案是正确的。比特币协议设置问题难度的方式是让找到答案所需的时间平均保持在 $10$ 分钟左右。如果解答问题产生新区块的矿工给自己的账户记入了超过当前允许的 $25$ 枚新比特币，其他的矿工就会拒绝接纳该矿工所提供的区块，并继续为自己的区块寻找答案。每个区块都略有不同，所以每个矿工要找的答案均不相同。
• 当一个矿工解决了计算任务并通过验证，其他的矿工马上接受失败，并同意将该矿工的区块作为区块链的下一个区块，然后再开始着手下一个区块。下一个区块将上一个区块产生后的最新交易添加到自己的区块，然后再寻找新区块的问题答案。
• 如果矿工都只接受自己生成的区块而拒绝其他的，那就无法达成共识，整个体系的价值因此被摧毁，对所有矿工都没有好处，此时矿工有再多的比特币也没有价值。
• 前面提到过，解答区块数学问题需要完成昂贵的计算任务。该过程成为工作量证明，这意味着矿工必须为此付出努力。为此要先了解被称为哈希函数的密码学概念。