比特币原理详解

1. 比特币定义：比特币，作为一种基于密码学的电子货币，于2008年11月中本聪发表的比特币白皮书中首次亮相。该白皮书提出了一种颠覆传统银行体系的去中心化电子记账系统。相较于依赖国家信用背书的银行记账，比特币倡导参与者共同维护账本，旨在防范主权危机与信用风险。尽管其优势已被广泛讨论，本文将更深入地从技术原理角度予以解读。

2. 问题引入：假设ABCD四位用户间发生了三笔交易——A向B转移10个比特币，B向C转移5个比特币，C向D转移2个比特币。在传统的银行记账模式下，这些交易记录由银行集中保管，用户信任银行不会擅自增删交易信息，仅关注个人账户余额。而在比特币系统中，每位参与者（ABCD）都持有同一份实时同步的账本，记录上述交易详情。这样一来，参与者无需依赖银行进行记账。

3. 比特币记账方式：当某用户发起交易时，需将交易信息广播至全网。全网中的一名参与者负责将一段时间内的交易打包成一个区块，并按照时间顺序将区块链接起来，形成区块链。

1. 参与理由：为何选择投身比特币系统，耗费自身计算机资源存储这些信息？

2. 记账权威：面对可能存在的账单顺序差异或信息接收不完整情况，应以谁的记录为准？

3. 支付保障：比特币如何确保资金归属清晰且仅允许所有者消费？

4. 安全防护：如何防止伪冒交易、篡改记录及双重支付行为？

1. 记账奖励：记账行为不仅享有手续费收益，还涉及系统对打包区块者的奖励。初始阶段，每十分钟生成一个区块，每个区块奖励50个比特币。此后每四年奖励减半，直至比特币总量接近理论最大值2100万。此外，记账者还获得交易发起者附带的手续费。

1. 以谁为准：节点通过工作量证明（Proof of Work，PoW）机制竞争记账权。节点需解决一个极其复杂的数学难题，率先解出答案的节点获得新区块的生成权。此难题计算难度极高，只能通过穷举、猜测与尝试的方式破解。那么，这个决定记账权归属的数学难题究竟是什么？

2. 哈希函数：哈希函数，又称数字摘要或散列函数，其特性为：输入一个字符串，输出另一个字符串；若输入不同，输出必然各异；且无法通过输出反推输入。以简单的模10运算为例，虽存在哈希碰撞（如66与56的输出均为6），但优秀的哈希函数应使碰撞概率趋近于零。比特币采用SHA256算法，即将输入字符串转化为256位二进制数。实际运行结果显示，输入微小变化即可导致输出显著差异，且无法逆向推导输入。

3. 挖矿原理：比特币区块由区块头和区块体两部分构成。区块体内包含矿工收集的多笔交易信息，这些交易通过默克尔树（Merkle Tree）组织，仅保留树根在区块头中，既节省空间，又便于交易验证。区块头则包括父区块哈希、版本号、当前时间戳、难度值、随机数与默克尔树根。

挖矿过程中，节点将搜集的交易打包，生成默克尔树根并填入区块头，同时填充其他必要信息。随后，节点将区块头信息（父区块哈希、版本号、时间戳、难度值、随机数、默克尔树根）组合成字符串str，经两次SHA256运算得到一个256位二进制数。比特币要求该数前n位为0，n即难度值。若当前结果不符合要求，节点需更改随机数并重新计算，直至找到满足条件的答案。一旦挖矿成功，节点将广播新区块至全网，其他节点则基于此区块继续挖矿。新区块头中的父区块哈希即为上一区块生成的满足条件的二进制数。

挖矿成功概率与节点算力正相关。虽然单次哈希运算结果依赖运气，但算力大的节点单位时间内进行的哈希次数更多，从而更可能在短时间内挖出新区块。难度值n的确定依据是维持全网平均每十分钟产出一个新区块，总体挖矿成功率约为1/2^n。现假设全球有1万台矿机，每台矿机算力为14T次/s，10分钟内全网可进行8×10^19次哈希运算。通过等式2^n = 8×10^19，解得n约为66。因此，参与者无法直接提升挖矿运气，只能通过增强算力提高成功概率。

1. 电子签名技术：比特币采用电子签名进行身份验证，与现实生活中的面部识别、签字、指纹等手段不同，电子签名在数字货币领域更为安全，因其一旦数字化，难以通过复制进行伪造。

2. 注册流程：用户注册比特币系统时，系统根据随机数生成私钥，私钥进一步生成公钥，公钥再生成地址。私钥必须严格保密，相当于银行卡密码，一旦丢失，关联比特币将无法使用。以下为私钥、公钥、地址间的转换过程，非必读，只需了解私钥→公钥→地址的生成逻辑及公钥哈希与地址间的BASE58编码转换关系即可。比特币采用椭圆曲线加密算法（而非RSA）实现上述功能。

3. 防伪验证：用户A发起交易后，对消息进行哈希生成摘要，使用私钥加密摘要生成密码。A将交易消息、公钥及密码广播至全网。接收者首先对交易信息进行哈希，生成摘要1，再利用公钥解密密码，得到摘要2。若两个摘要一致，证明消息确由A发出。此处“签名”即指加密后的密码。

4. 余额检查：比特币摒弃了传统借贷记账法中的“余额”概念，采用未花费交易输出（Unspent Transaction Output，UTXO）模型进行记账。例如，A向B转账10个比特币，B向C转账5个比特币。对于第二笔交易，B在发起时需引用第一笔交易信息，证明其拥有足够的比特币进行转账。故比特币中余额检查通过追溯交易历史完成。

5. 双重支付防范：若A试图同时向B和C各转账10个比特币，而其实际持有量仅为10个，将如何处理？假设节点D先收到转给B的交易，后收到转给C的交易，D将拒绝后者。节点E的情况则相反，先收到转给C的交易，后收到转给B的交易，故拒绝后者。究竟哪笔交易最终上链，取决于D和E中哪个节点先解决数学难题，成功挖矿。

6. 篡改防护：若A欲抹除其向B转账10个比特币的记录以逃避债务，需从该交易所在区块的前一区块开始重新挖矿，创建一条分支链。然而，实际主链已推进许多区块，A必须以超过主链的速度持续挖矿，才可能追平并取代主链。即使A掌握全网一半以上算力，理论上可通过长时间努力实现篡改，但这在现实中几乎不可能。因为，拥有如此强大算力的个体，为何不选择在主链上正常挖矿，而非要冒险扮演“小偷”角色呢？

区块链并非等同于比特币，比特币也并非区块链的全部。区块链仅是比特币应用的一项核心技术，其创新理念给予人们诸多启示。尽管比特币堪称区块链技术最成功的应用案例，但仍存在争议。挑战主权货币的初衷、匿名性带来的潜在非法活动风险，以及作为支付系统的低效率、扩展性差等缺陷，均值得深入探讨。