比特币的实现原理

本文的目的是让读者对比特币有一个感性的认识，并不要求读者的技术水平。

与本文相关：

“比特币保存在数字钱包中”，“可以使用区块链技术转移资金”。像这样的内容越来越多地出现在大众媒体中。对于普通人来说，这些内容可能看起来很复杂，甚至会产生误导。阅读这篇文章可以帮助您轻松参与有关比特币的对话，而不是成为“无意识”的听众。

关于比特币

虽然人们称比特币为去中心化数字货币，但我更愿意将其描述为数字资产。对于一种不熟悉的货币，人们总是想知道它是基于什么政府，以及设定其利率的机构是什么。但了解比特币的第一步是抛开这些“货币”刻板印象。

作为一种数字资产，您可以购买、拥有或转让比特币。目前（2015 年 9 月）已经产生了大约 1400 万比特币。比特币以每 10 分钟 25 个的速度增长，最高限额为 2100 万。按照这个速度，最后一个比特币将在 2139 年末创建。

通常，比特币账户发起交易后，它会在几秒钟内收到来自世界各地的确认，大约一个小时后，该交易就可以被认为是安全的。比特币有相应的价格（通常以美元为单位，但可以兑换成其他任何东西）。与石油和黄金类似，这个价格是由比特币交易所的市场供求决定的。

比特币的原始设计

2008年，中本聪发布了比特币白皮书，其中对比特币的定义是：

一种基于 P2P 技术的电子现金，允许通过网络将付款直接转移到目标账户，而无需通过第三方金融机构。

所以，电子现金的意义在于：它是一种无记名资产，就像你口袋里的现金一样，你可以在没有第三方许可的情况下随意使用它。

在比特币之前，没有严格意义上的电子现金：虽然资金以数字方式存储在银行或Paypal等金融机构，但我们必须遵守这些机构的条款才能开设账户，转账资金必须也通过这些机构。

为什么使用比特币？

我认为比特币与其他国际公认的货币类似，只是它依赖于互联网而不是任何特定的地理位置。换句话说：如果互联网是一个国家，比特币就是它的货币。这是我们第一次拥有完全数字化的资产，不受任何机构的约束，任何人都可以像现金一样轻松使用。

比特币交易

无论地理位置或边界限制如何，都可以交易比特币。比特币支付相对较快——初始确认可以在几秒钟内完成，并在大约一个小时内“清除”。在没有正常金融体系的情况下，比特币是一种通过互联网进行价值交换的有效手段。

潜在使用场景

由于传统实体银行固有的成本压力，在某些地区，它们可能无法提供足够的金融服务。此时，比特币可以成为一种有效的补充手段。此外，一些国际交易可能存在风险或需要很长时间（通常长达数天），并且还需要人工处理和缴纳税款。使用比特币，您可以避免这些烦恼。有些人在销售数字商品时可能希望使用数字货币。比特币也可以用于小额交易场景（金额对应“美分”级别的人民币），目前基于信用卡的收费结构不足以应对这种情况。当然还有更多的用途等着我们去发现。

价格波动

与任何其他货币一样，比特币的价格也会波动。与其他货币相比，比特币的价格波动很大（尽管波动性正在下降）。因此，如果你以当地货币计算你的财富，购买比特币本质上是在赌它的未来价格变化。您可以在 Tradeblock 的网站上查看历史价格曲线。

货币兑换

与其他货币类似，如果您想将您的货币（例如英镑）兑换成比特币，您必须找到卖家与您交易。显然比特币现金的区块大小，这个过程会带来额外的费用：有时它们以费用的形式出现；它们也可以直接计入交易价格。随着时间的推移，比特币交易所将在全球范围内如雨后春笋般涌现，兑换比特币的费用会越来越低。

保持理性

很多时候比特币被描述为“快速交易”、“免费交易”或“低交易成本”。虽然这对于仅涉及比特币的交易是正确的比特币现金的区块大小，但在其他情况下仍然需要保持理性。一旦涉及到其他传统货币，货币兑换的额外兑换费用仍需慎重考虑。

虽然比特币被大众广泛使用尚不现实，但对于新兴经济体中没有银行或Paypal等服务的自由开发者/设计师来说，比特币可以帮助他们提供劳动力并且获得报酬完全是数字化的当然，如何将比特币兑换成当地货币的问题还有待解决，但它比没有足够金融服务的情况下如何获得报酬要简单得多。

值得注意的是，虽然比特币催生了莱特币、狗狗币等许多其他类似的加密货币，但由于其网络效应和较高的安全性和稳健性，比特币仍然是最受欢迎的加密货币。

比特币的实现原理

比特币交易是通过庞大的计算机网络完成的。网络验证和跟踪每笔交易，然后将其添加到所有比特币交易的列表中。

交易跟踪：比特币区块链

有一个名为“比特币区块链”的文件（当然是分成几部分）存储在全球数千台计算机上，包括我家中的笔记本电脑。当你看到“区块链”这个词时，会想到“数据库”或“列表”。有关区块链的简要介绍，请参见区块链技术简介。

我电脑上的区块链文件的屏幕截图。可以看到区块链文件被拆分成多个部分，每个部分134MB，总共占用近50GB空间。

区块链文件包含所有比特币交易历史，即从一个账户到另一个账户的比特币交易信息。这通常被称为比特币账本，类似于银行账户中的交易记录。

简化的银行账本和比特币账本，它们非常相似

比特币网络

所有 保存区块链文件的计算机也运行一个可以连接到互联网的程序。通过这个程序，这些计算机组成了一个网络，可以相互通信并不断交换信息，例如：

新交易（在撰写本文时平均每秒产生一个新比特币，当然这些交易不是稳定产生的）更新比特币区块链（每 10 分钟左右一个“页面”或“区块”生成有效交易。然后确认该块并分发到网络其他计算机）

当您进行新的比特币交易时，会向比特币网络上的其他计算机发送交易指令。网络上的计算机验证此指令并将其转发给其他计算机。一段时间后，你的交易信息被包含在一个区块中，然后被添加到网络中所有计算机上的比特币区块链文件中。

点对点网络 (P2P)

比特币数据分发基于 P2P 而非 C/S 模型。 P2P 就像一个朋友圈，每个人都向周围的人分享消息（关于新交易和新区块），并最终将这些信息传达给网络中的每个人。 C/S 模型正好相反。后者更像是传统组织中的上下级关系。上级只负责发布信息，是所有信息的来源；下属只负责接收信息。一旦上级出现问题，整个信息分发就会失败。

P2P 模型比 C/S 模型有一个巨大的优势：对于 P2P，整个网络不依赖于可能出错的中心点。

C/S模式与P2P模式存储比特币相比如何？

每个比特币都与一个“比特币钱包地址”相关联，比特币区块链负责追踪每个比特币的具体所有权。事实上，用于管理地址、余额和交易的比特币“钱包”应用程序实际上并不存储比特币，它只存储进行交易所需的密钥或密码。

比特币账户：钱包地址

在银行，您可以通过建立多个账户分别存钱；比特币中对应的“账户”就是钱包地址。比特币钱包地址类似于银行帐号，但有一些区别。

以下是比特币钱包地址的示例：1MKe24pNsLmFYk9mJd1dXHkKj9h5YhoEey。就像银行账户一样，如果您想从其他人那里收款，您需要提供您的比特币钱包地址，以便发件人知道该向谁付款。下图是典型的比特币交易聊天记录：

BTC或XTC是比特币的官方缩写（原文使用BTC代表比特币硬币），就像GBP代表英镑比特币钱包

在银行中，我可以使用相同的用户名/密码控制多个账户（例如工资账户、储蓄账户、税务账户等）。同样，比特币钱包应用程序可以控制多个比特币钱包地址，显示其余额或使用特定钱包地址发送和接收比特币。

为了获得准确的钱包信息，您需要连接到网络或一些区块链文件。然后钱包会读取区块链中的交易记录，计算出每个钱包地址对应的余额。

您可以使用比特币钱包的创建钱包地址功能获取收/付地址。比特币钱包还具有许多增加易用性的功能供您发现。

比特币是如何发送的？比特币交易

每个比特币地址都有一个用于支付的私钥。私钥可以被认为是密码，除了私钥是从地址数学计算出来的。因此，与传统密码或 PIN 不同，私钥是唯一的且无法更改。

对于前面提到的地址（1MKe24pNsLmFYk9mJd1dXHkKj9h5YhoEey），对应的私钥是：5KkKR3VAjjPbHPzi3pWEHVQWrVa3C4fwD4PjR9wWgSV2D3kdmeM。任何拥有此私钥的人，包括正在阅读的您，都可以从该地址付款。

私钥既不是某个机构（如银行）发行的，也不是个人随意捏造的，而是钱包程序根据地址自动计算出来的。

私钥

显然，私钥需要妥善保管，不得公开。由于私钥无法更改，因此记住长私钥可能会很痛苦。所以大多数钱包应用程序会用你的密码加密私钥。那么每当您付款时，您只需输入您设置的密码即可。

钱包实际上并不“存储”比特币，实际上比特币钱包存储允许您转移或“花费”比特币的私钥。所以复制一个钱包不会使你拥有的比特币数量翻倍，它只会生成一个具有相同密钥的副本。如果有人设法复制和读取您的钱包，他们甚至可以直接清空您的帐户。就像你告诉别人银行保险箱的密码，你俩都可以打开保险箱，但保险箱本身并没有被复制。

比特币钱包只存储私钥，不存储比特币！比特币支付流程

比特币支付的本质是将一定数量的比特币与付款人的地址解除关联，然后将它们与收款人的地址关联起来。

您可以很容易地想到付款指令应包含的内容：

发送的比特币数量 付款人钱包地址 收款人钱包地址

数字签名

支付指令生成后，程序会用支付者地址对应的私钥对其进行加密。这个数字签名用来证明支付操作的发起者是付款人钱包地址的所有者（通常只有钱包所有者知道私钥）。

签名的支付指令由钱包应用程序发送到网络上的所有其他计算机（称为“节点”或“验证节点”）。

验证节点

当第一台计算机收到支付指令时，它会检查一些技术细节以及业务逻辑细节（例如，支付操作是否试图凭空创造比特币？这些比特币是否被发送到其他地方？等等）。

验证节点执行的技术细节和业务逻辑

如果这些测试通过，计算机会将指令转发到网络上的其他节点，每个节点都会对收到的指令运行相同的验证测试。请记住，在这个网络上，节点不相互信任，因此它们对所有接收到的命令运行相同的测试。最终，网络上的所有节点都收到了付款，并且这些计算机上的状态显示为“未确认交易”。为什么未经证实？因为付款虽然经过验证，但尚未添加到比特币分类账中。

如何追踪比特币？交易记录如何添加到每个人的区块链中？

除了在彼此之间传递有关交易的信息外，某些节点（属于网络的计算机）还可以将这些交易以块的形式添加到区块链中。这被称为“采矿”。这种操作通常被描述为“通过解决复杂的数学计算来赚取比特币”。事实上，这个过程并不复杂，你甚至可以在没有计算器的情况下手动完成；它只是故意使用了许多蛮力计算步骤。

挖矿

挖矿实际上是一个猜谜游戏，获胜的机会取决于您的计算机的性能在所有正在运行的计算机中的排名。猜出正确数字的计算机首先生成并分发一个新块。网络上的其他计算机会在确认接收到的区块合规后，快速验证接收到的区块并添加到自己的区块链中。矿工在挖矿过程中能获得什么？每个区块的成功提交者将获得一定数量的比特币奖励（在撰写本文时每个区块 25 个比特币，大约每 4 年减半，并在 2016 年 7 月减少到每个区块奖励 12.5 个比特币） 大约每 10 分钟生成一个新块。