比特币的技术原理分析
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很多年前就有这个想法了，从事IT行业时间也不短了，应该把自己工作和业余所学习的东西记录并分享出来，和有缘人一起学习和交流。
如果您是那个有缘人，请上岛一叙！爪哇岛随时欢迎您！
最近这段时间，虚拟货币频频冲上热搜，比特币、以太坊、狗狗币各种技术名词层出不穷，搞得大家眼花缭乱。正所谓 “内行看门道，外行看热闹”，所以今天咱们不再吃瓜看热闹，也来数字货币里面的门道（技术支撑）。
一、比特币的由来
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比特币（bitcoin）诞生于 2008 年的一篇论文，一个署名为中本聪的人，提出了革命性的构想：** 让我们创造一种不受*或其他任何人控制的货币！**
一串数字，背后没有任何资产支持，也没有任何人负责，你把它当作钱付给对方，怎么会有人愿意接受？但是，狂想居然变成了现实。
2017 年，比特币迎来了爆发式的增长，从年初的1000美元，最高涨到了2万美元，全世界都为之震动。 -
下面我尝试帮助大家理解比特币，抛开技术细节，还是很容易解释的。
二、非对称加密
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首先，理解比特币，必须理解非对称加密。你可能听说过这个词，所谓非对称加密，其实很简单，就是加密和解密需要两把钥匙：一把公钥和一把私钥。
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公钥是公开的，任何人都可以获取。私钥是保密的，只有拥有者才能使用。
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他人使用你的公钥加密信息，然后发送给你，你用私钥解密，取出信息。反过来，你也可以用私钥加密信息，别人用你的公钥解开，从而证明这个信息确实是你发出的，且未被篡改，这叫做** 数字签名 **。
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现在请设想，** 如果公钥加密的不是普通的信息，而是加密了一笔钱 **，发送给你，这会怎样？
首先，你能解开加密包，取出里面的钱，因为私钥在你手里。 其次，别人偷不走这笔钱，因为他们没有你的私钥。因此，支付可以成功。------这就是比特币（以及其他数字货币）的原理：** 非对称加密保证了支付的可靠性 **。
- 由于支付的钱必须通过私钥取出，所以你是谁并不重要，重要的是谁拥有私钥。只有拥有了私钥，才能取出支付给你的钱。（事实上，真实的交易流程稍有不同，私钥保证的不是取出支付给你的钱，而是保证只有你能把这些属于你的钱支付出去）
三、比特币钱包
- 对于比特币来说，钱不是支付给个人的，而是支付给某一把私钥。这就是交易匿名性的根本原因，因为没有人知道，那些私钥背后的主人是谁。所以，比特币交易的第一件事，就是你** 必须拥有自己的公钥和私钥 **。
- 你去网上那些比特币交易所开户，它们会让你首先生成一个比特币钱包（wallet）：这个钱包不是用来存放比特币，而是存放你的公钥和私钥 。软件会帮你生成这两把钥匙，然后放在钱包里面。
根据协议公钥的长度是 512 位，这个长度不太方便传播，因此协议又规定，要为公钥生成一个 160 位的指纹。所谓指纹，就是一个比较短的、易于传播的哈希值。160 位是二进制，写成十六进制，大约是 26 到 35 个字符，比如 1BvBMSEYstWetqTFn5Au4m4GFg7xJaNVN2。这个字符串就叫做钱包的地址，它是唯一的，即每个钱包的地址肯定都是不一样的。 - 你向别人收钱时，只要告诉对方你的钱包地址即可，对方向这个地址付款。由于你是这个地址的拥有者，所以你会收到这笔钱。
由于你是否拥有某个钱包地址，是由私钥证明的，所以一定要保护好私钥，这是极其重要的，如果你的私钥被偷了，你的比特币也就等于没了，因为他人可以冒用你的身份了，把钱包里面的钱都转走。
同样的，你向他人支付比特币，千万不能写错他人的钱包地址，否则你的比特币就支付到了另一个不同的人了。
四、交易 & 区块链
- 比特币如何完成一笔交易: ** 一笔交易就是一个地址的比特币，转移到另一个地址 **。
- 怎么防止其他人，冒用你的名义申报交易： 比特币协议规定，申报交易的时候，除了交易金额，转出比特币的一方还必须提供以下数据：
- 上一笔交易的 Hash（你从哪里得到这些比特币）
- 本次交易双方的地址
- 支付方的公钥
- 支付方的私钥生成的数字签名
- 而验证这笔交易是否属实，需要三步：
- 第一步，找到上一笔交易，确认支付方的比特币来源。
- 第二步，算出支付方公钥的指纹，确认与支付方的地址一致，从而保证公钥属实。
- 第三步，使用公钥去解开数字签名，保证私钥属实。
- 确认交易的真实性后，交易还不算完成；交易数据必须写入** 数据库 **，才算成立，对方才能真正收到钱。
- 比特币使用的是一种特殊的数据库，叫做区块链（blockchain）
- 比特币是如何写入数据库的呢？
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首先，所有的交易数据都会传送到矿工那里。** 矿工负责把这些交易写入区块链 **。
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根据比特币协议，一个区块的大小最大是 1MB，而一笔交易大概是 500 字节左右，因此** 一个区块最多可以包含 2000多 笔交易 。 矿工负责把这 2000 多笔交易打包在一起，组成一个区块，然后计算这个区块的哈希 ** ** （计算哈希的过程叫做采矿，这需要大量的计算） **。
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矿工之间也在竞争，谁先算出哈希，谁就能第一个添加新区块进入区块链，从而享受这个区块的全部收益，而其他矿工将一无所获。一笔交易一旦写入了区块链，就无法反悔了。
- 区块链记载了你参与的每一笔交易，你得到过多少比特币，你又支付了多少比特币，因此可以算出来你拥有多少资产。
- 为什么有人肯做矿工呢？顺便谈谈矿工的收益：
- 比特币协议规定，挖到新区块的矿工将获得奖励，一开始是50个比特币，然后每4年减半，这也是比特币的供给增加机制，流通中新增的比特币都是这样诞生的。
- 你可能看出来了，每 4 年奖励减半，由于比特币可以分割到小数点后八位，那么到了2140 年，矿工将得不到任何奖励，比特币的数量也将停止增加。这时，矿工的收益就完全依靠交易手续费了。
- 所谓交易手续费，就是矿工从每笔交易中拿到的抽成，具体的金额由支付方自愿决定。你完全可以一毛不拔，一分钱也不给矿工，但是那样的话，你的交易就会没人处理，** 迟迟无法写入区块链，得到确认 **。矿工们总是优先处理手续费最高的交易。
五、区块的扩容 & 点对点网络
- 比特币协议规定，平均10分钟诞生一个区块。区块的大小只有 1MB，最多只能包含2000多笔交易。也就是说，比特币网络每10分钟最多只能处理2000多笔交易，换算一下就是处理速度为3～5笔/秒。全世界的比特币交易这么多，可是区块链每秒最多只能处理5笔，这已经成为制约比特币发展的一个瓶颈。
- 如何提升处理速度呢？2017年8月区块链发生了一次分叉，诞生了一个新协议，称为 Bitcoin Cash（简称 BCH）。这种新货币其他方面都与比特币一致，就是每个区块的大小从 1MB 增加到了 8MB，因此处理速度提升了8倍，手续费也低得多。
- 比特币网是一个全世界的开放网络，只要你有服务器，就能加入这个网络，成为一个节点。每个节点都包含了整个区块链（目前大概 100多 GB），并且节点之间时刻不停地在同步信息。
- 当你发生了一笔支付，你所在的节点就会把这笔交易告诉另一个节点，直至传遍整个网络。
- 矿工从网上收集各种新发生的交易，将它们打包写入区块链。一旦写入成功， 矿工所在节点的区块链，就成为最新版本，其他节点都会来复制新增的区块，保证全网的区块链都是一致的。
- 最后，你所在的节点也拿到了最新的区块链，从而得知你早先的那笔交易，已经写在里面了，至此交易确认成功。
七、总结
比特币的基本知识，就介绍完了，希望你已经明白了比特币是怎么回事。