区块链 | 了解比特币交易流程和区块链原理

问：一个用户可以生成多少个比特币地址？

答：1,461,501,637,330,902,918,203,684,832,716,283,019,655,932,542,976

问：地球上有多少沙粒？

答：9223372036854775807

我们应该明白，从公钥中强行提取私钥需要耗费整个太阳的能量。

数学是如此不可思议。

3. Bob 通过他的轻客户端创建一个钱包，并将他的比特币地址通过电子邮件发送给 Alice。

简而言之，比特币交易是一种授权将资金从一个账户转移到另一个账户的签名消息。 每笔交易都包含发送者的地址、接收者的地址以及从发送者的私钥生成的签名。

比特币区块链有一个原生的多输入会计系统，其中每笔交易都有一个输入（余额从哪里来）和一个输出（余额去哪里），很像借贷系统。 用户的余额基本上是与其从其公钥获得的地址相关联的所有借方的总和，减去已发送到其他地址的所有贷方的总和。 一旦在交易中使用，余额就被视为已用完。

4. Alice 现在有了 Bob 的地址 (1Few1623...)，这是她开始交易唯一需要的东西

当 Alice 发起一笔 0.001 BTC 或 10 毫比特 (mBTC) 的交易时，她的比特币客户端会查看与她的公钥关联的所有先前未花费的输出（借记）并显示她的总余额。 然后，Alice 扫描或复制 Bob 的地址，添加交易金额，并选择她希望资金多快到达 Bob。 Bob 收到 Alice 交易的速度取决于 Alice 愿意支付多少网络费用。

5. Alice 决定她将支付多少，这与 Bob 获得资金的速度成正比

比特币依赖于某些网络参与者将未处理的交易分组到一个块中，并将该块添加到分类账中，这种活动称为挖矿。 矿工对一个区块内的所有交易收取费用。 因此，他们有经济动机优先考虑高价值交易。 如果爱丽丝想让鲍勃在不到一个小时内收到资金，她将不得不向矿工支付更高的费用。

由于鲍勃不会马上需要资金，爱丽丝决定支付每千字节 2.21 mBTC 的交易费，这足以确保鲍勃在 50 分钟或 5 个区块内收到她的交易。 爱丽丝预览交易以了解她将支付多少。

以每千字节 2.21mBTC 的交易费率计算，由于其交易大小为 336 字节，因此网络费用支付总额为 0.743mBTC，即 4.65 美元 (2.21*336)。

注意：截图是在比特币交易量创历史新高时截取的。 今天，类似的交易成本不到 1 美元。

本质上，比特币交易是分类帐条目的交换，表示为输入和输出。 Alice 发起的具体交易只包含一个输入和两个输出。 为了向 Bob 发送 10 mBTC，Alice 的客户使用过去的交易作为输入来证明她的余额高于发送的金额。 一天前，Alice 将 98.525 mBTC 存入她将用来向 Bob 汇款的地址。 她的客户将使用此交易作为输入，因为它的价值高于她将发送给 Bob 的金额。 她的客户还将昨天的存款和 10mbtc 之间的差额（即找零）发回给 Alice。

同时，创建了两个输出：第一个向 Bob 发送 10 mBTC，因为它代表 Alice 发送的内容，第二个将 87.78 mBTC 作为增量发送回 Alice 的地址。 请注意，Alice 将收到的 87.78 mBTC 输出已经计算出她将支付的 0.74 mBTC 网络费用。

有时输入和输出可能会混淆。 这是因为先前交易的输出成为新交易的输入。 在上面的示例中，输入 0 是前一天存款的输出。 因为输出没有在任何其他交易中使用（即它是未花费的输出），所以它可以用作新交易的输入。 一旦花费，它就成为花费的输出，不能被视为未来交易的输入。

在这个特定的交易可以被广播到网络之前，爱丽丝需要通过签署这个交易来证明她拥有与这个地址相关联的私钥。 Alice 可以加载用于存储它的文本文件，也可以手动输入她的 12 字助记词。 爱丽丝的客户端将合并交易中的所有细节并将其转换为十六进制格式。

转换后，Alice 的整个交易是这样的：

上面的字符串与网络的其他成员共享。 一旦广播，Alice 周围的节点验证交易的有效性并将其传播到其他节点，直到交易被矿工处理。 如上所述，每个节点存储一篮子未处理的交易。 这就是所谓的内存池，或 mempool。

当内存池填满并且网络中的节点存储大量未处理的交易，导致内存不足时，每千字节的网络速率会增加。 结果，网络挖矿费用增加了。

因此，比特币内存池被用作拥塞控制和交易成本的代理，因为更多未处理的交易 = 内存池中更少的空间 = 更高的费用。 这里需要强调的是，比特币网络费用只根据交易大小（千字节）定价，与发送的数量无关。

比特币的发明者中本聪从未使用“挖矿”一词来描述比特币协议中嵌入的数学竞赛。 相反，该术语之所以流行，是因为它描述了一种类似于现实世界活动的行为，这种行为具有概率且无法保证成功。

黄金矿工知道，即使他们花费大量资源开采，也不能保证一定能找到贵金属。 虽然这可以作为一个有用的类比来描述活动的概率性质，但挖矿一词无助于理解过程本身，这是比特币在用户采用和网络安全方面的最大成就之一。

矿工的实际活动更像是现实世界中锁匠的工作，而不是现实世界中的矿工。

想象一下，每隔十分钟，比特币协议就会向其网络中的锁匠提供一把带有未知钥匙的锁。 只有当其中一个锁匠能够打开锁并将一组新的交易添加到链中时，才会发放奖励。 要找到钥匙，锁匠必须尝试数百万种不同的组合，这需要时间和精力。 锁匠必须通过向其他锁匠展示真正的钥匙来证明他们的工作，然后其他锁匠自己可以复制和验证。 生产这把证明工作已经完成的钥匙，自动给成功的锁匠一个实际上与他的努力成正比的奖励。

这是工作证明。

该协议总是知道有多少锁匠试图找到锁的钥匙，因此锁匠每次平均需要 10 分钟才能找到正确的钥匙。 如果网络中只有十几个锁匠2009年比特币怎么交易的，锁就会很小，用一把槽少的短钥匙就可以轻松打开。 相反，如果数百名锁匠参加了这项挑战，协议会给他们一把大锁，需要一把有很多凹槽的长钥匙。 与比特币一样，在找到正确的密钥之前需要测试数百万种不同的组合。

想想当比特币发布时，只需要一个简单的算法代码文件就可以生成一个有效的密钥。 目前，这项活动只能使用 ASIC 来完成，ASIC 是为计算特定算法而优化的硬件。 比特币 ASIC 的兴起类似于向这些锁匠出售电子金属研磨机，以指数方式提高他们测试不同组合键的能力。 由于活动的经济性刺激了价值的增加，锁的尺寸也增加了。

比特币锁现在变得很大，这有助于网络的安全。 鉴于活动本身的竞争性和概率性，同一个锁匠不太可能在一段时间内连续找到钥匙开锁。 不可预测性是一个重要特征，因为它降低了恶意行为者通过连续挖矿将资金翻倍的可能性。 然而，当与专用硬件相结合时，增加的难度对普通用户造成了进入壁垒，最终必然转化为某种中心化。

社区的知名成员现在正在辩论是接受还是审查 ASIC 的使用。 ASIC 制造商+矿工的融合具有潜在的危险。 但值得注意的是，它确实将网络安全性提高了几个数量级（当然是以去中心化为代价的）。

如您所知，上述数学难题基于密码哈希函数。 通常，哈希函数映射文件中的每条数据，为其分配标识符，并产生固定长度的输出。 换句话说，使用哈希函数将任意大小的数据压缩到标准输出，这种输出称为哈希。 整个国会图书馆可以通过哈希函数组合在一起，并将输出与其哈希进行比较； 这两个输出将具有相同的大小。

为了产生工作量证明，比特币矿工使用 SHA-256； 最初由 NSA 设计用于压缩敏感信息的哈希函数。 在能够将区块添加到区块链之前，矿工必须使用 SHA-256 函数将区块内的数据与称为随机数的特定未知数字组合起来。 矿工需要找到一个随机数，当它与区块中的数据结合时，会产生一个哈希值，该哈希值需要以目标数量的零开头。

哈希函数对最细微的变化非常敏感。 因此，矿工必须在 10 分钟内尝试数百万种不同的非线性组合，以便在与区块合并时找到以目标数量的零开头的随机数。 如果您通读了前面的部分，您会发现锁匠正在努力寻找的关键是随机数。

更改已添加到区块的交易需要更改整个区块链。 比特币之所以有效，是因为其区块链的数据结构使其不可变； 一旦一个区块被挖掘出来，在不影响整个区块链的情况下，不能更改其中的任何内容。

这是通过称为 MerkleTree 的数据结构实现的，该结构将每个块中的数据组合在一起，以便所有数据相互依赖。 如下图所示，Alice与Bob的交易生成Hash1，再与Hash0（同时发生的另一笔交易的哈希）生成Hash01。 该协议对每个添加到块中的未确认交易执行此操作，直到找到根哈希。

根哈希是一个区块中所有交易的哈希。 如果您更改这些交易中的任何微小数据，根哈希将完全不同。 这就是为什么区块链这个词被高度普及的原因； 对于许多不同的应用程序来说，这种数据结构的不变性是非常需要的。

在关于轻客户端的部分中引用的块头将根哈希与区块链中的前一个块的头结合在一起。 这基本上是将块连接在区块链中的原因。 区块头还包括其他数据，例如随机数、当前时间戳和挖掘难度。

6. 最后，Alice 的交易与许多其他交易一起被添加到一个区块中。一旦这个区块被挖掘出来，Bob 就可以下载并验证交易是否已被确认

比特币协议有一个原生的激励机制，奖励能够提供有效工作量证明的矿工。 这个数额每四年减半。 目前每个区块奖励 12.5 BTC。 矿工还从添加到他们区块的每笔交易中收取网络交易费。

比特币网络于 2009 年 1 月首次启动时，每个区块的奖励为 50 BTC。 正如预期的那样，到 2012 年 11 月奖励减半至 25 BTC，到 2016 年 7 月降至 12.5 BTC。2140 年，比特币协议将停止生成新硬币，挖矿奖励将仅基于网络费用。 届时2009年比特币怎么交易的，将有大约 2100 万个比特币在流通。

由于比特币提供了一种基于稀缺商品的独特经济结构，它极大地促进了比特币的采用。 激励和工作量证明 POW 由准确模拟比特币通货膨胀的算法定义。 这使得比特币成为未来货币的潜在候选者，因为它的货币政策是由软件形式的数学算法决定的。

代码就是法律！

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沈浩先生

——————中国传媒大学新闻学院教授、博士生导师中国传媒大学调查统计研究所所长

大数据挖掘与社会计算实验室主任

中国市场研究行业协会会长

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