比特币的设计初衷、实现原理及交易追踪分析

本文的目的是让读者对比特币有一个感性的认识，对读者的技术水平没有要求。

与本文相关的是：

“比特币保存在数字钱包中”和“区块链技术可以用来转移资金”。 越来越多这样的内容出现在大众媒体中。 对于一般人来说，这些内容可能显得复杂难懂，甚至可能产生误导。 阅读本文可以帮助您自由参与比特币话题，而不是做一个“不知情”的听众。

比特币简介

虽然人们称比特币为去中心化的数字货币，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由哪个政府支持的，以及设定其利率的机构是什么。 但要了解比特币，第一步就是要放下这些关于“货币”的刻板印象。

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 万个比特币。 比特币以每10分钟25个的速度增加，最高限额为2100万个。 按照这个速度，最后一个比特币将在 2139 年末生产出来。

通常，比特币账户发起一笔交易后，几秒内即可收到来自全球各地的确认，约一个小时后即可认为交易安全完成。 比特币有相应的价格（通常以美元为单位，但可以转换为其他任何东西）。 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。

比特币的最初设计

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，无需第三方金融机构操作，可通过网络将支付直接转账至目标账户。

因此，电子现金的含义是：它是一种无记名资产，就像你口袋里的现金一样，你可以随意使用，无需第三方许可。

在比特币之前，并没有严格意义上的电子现金：虽然资金以数字形式存储在银行或 Paypal 等金融机构中，但我们必须遵守这些机构的条款才能开立账户，转账也必须经过这些机构.

为什么使用比特币？

我认为比特币类似于其他国际公认的货币，只是它基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交易可以跟踪，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，不依赖任何机构，任何人都可以像现金一样轻松使用。

比特币交易

比特币可以不受地理位置或边界限制的限制进行交易。 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“清算”。 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。

潜在的使用场景

由于传统实体银行固有的成本压力，它们将无法在某些地区提供足够的金融服务。 这时候，比特币就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（通常长达几天）并且需要人工程序和税收。 使用比特币可以避免这些烦恼。 有些人可能希望在销售数字商品时使用数字货币。 比特币还可以用于小额交易（金额对应人民币的“分”级别），目前基于信用卡的手续费结构不够简单，无法应对这种情况。 当然还有更多的用途等待我们去发现。

价格波动

就像任何其他货币一样，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（尽管波动率正在下降）。 因此，如果您以当地货币衡量您的财富，那么购买比特币本质上就是押注其未来的价格变化。 您可以在 Tradeblock 的网站上看到历史价格曲线。

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进行交易。 显然，这个过程伴随着额外的费用：有时它们以佣金的形式出现； 它们也可以直接包含在交易价格中。 随着时间的推移，比特币交易所将在世界各地兴起，比特币交易所的手续费会越来越低。

保持理性

比特币通常被描述为“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来说是正确的，但在其他情况下仍然有必要保持理性。 一旦涉及其他传统货币，货币兑换产生的额外兑换费用仍需慎重考虑。

虽然比特币尚未被大众广泛使用，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将提供劳动力和支付方式完全数字化。 当然，如何将比特币兑换成当地货币的问题仍然需要解决，但这比没有足够的金融服务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，但由于其网络效应以及相对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。 网络验证并跟踪每笔交易，然后将其添加到所有比特币交易的列表中。

交易追踪：比特币区块链

有一个文件（当然是成块的）叫做“比特币区块链”，保存在世界各地的数千台电脑上，包括我家里的笔记本电脑。 当您看到“区块链”一词时，请想到“数据库”或“列表”。 关于区块链的简要介绍，请参见区块链技术简介。

我电脑中区块链文件的截图。 可以看到区块链文件分为多个部分，每个部分134MB，一共占用了近50GB的空间。

区块链文件包含所有的比特币交易历史，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分类账，类似于银行账户的交易记录。

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都在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：

当您进行新的比特币交易时，交易指令会发送到比特币网络上的其他计算机。 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)

比特币数据的分发基于 P2P 而不是 C/S 模型。 P2P就像一个朋友圈，每个人都会向周围的人分享消息（关于新交易和新区块），最终这些信息会到达网络中的每个人。 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，整个信息发布就会失败。

P2P模型相对于C/S模型有一个巨大的优势：对于P2P来说，整个网络不依赖于一个可能出错的中心点。

C/S模式与P2P模式的比较

比特币是如何存储的？

每个比特币都会关联一个“比特币钱包地址”，比特币区块链负责追踪每个比特币的具体归属。 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，可以开多个账户，分别存钱； 比特币对应的“账户”就是钱包地址。 比特币钱包地址类似于银行帐号，但也有一些区别。

这是比特币钱包地址的示例：1MKe24pNsLmFYk9mJd1dXHkKj9h5YhoEey。 就像银行账户一样，如果你想从别人那里收钱，你需要提供你的比特币钱包地址，以便发件人知道将付款发送给谁。 下图是进行比特币交易时的典型聊天记录：

BTC或XTC是比特币的官方缩写（原文用BTC代表比特币），就像GBP代表英镑一样

比特币钱包

在一家银行，我可以用同一个用户名/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，一个比特币钱包应用程序可以控制多个比特币钱包地址，显示它们的余额或发送和接收具有特定钱包地址的比特币。

为了获得准确的钱包信息，您需要连接到网络或区块链文件。 然后钱包会读取区块链中的交易记录，计算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功能，可以增加您发现的易用性。

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。 私钥可以看成是密码，只是私钥是通过数学方法从地址计算出来的。 因此，与传统密码或 PIN 不同，私钥是唯一的且无法更改。

对于上述地址（1MKe24pNsLmFYk9mJd1dXHkKj9h5YhoEey），对应的私钥为：5KkKR3VAjjPbHPzi3pWEHVQWrVa3C4fwD4PjR9wWgSV2D3kdmeM。 任何拥有这个私钥的人，包括你现在正在阅读这篇文章，都可以从这个地址付款。

私钥既不是某个机构（比如银行）发行的，也不是个人随意编造的，而是钱包程序通过地址自动计算出来的。

私钥

显然，私钥需要妥善保管，永远不要公开。 记住很长的私钥非常痛苦，因为私钥无法更改。 因此，大多数钱包应用程序将使用您的密码加密私钥。 然后每次付款时，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私钥，允许您转移或“花费”比特币。 所以克隆一个钱包不会使你拥有的比特币数量翻倍比特币交易可以跟踪，它只是用相同的密钥制作一个副本。 如果有人设法复制和读取你的钱包，他们甚至可以清空你的账户。 就像你告诉另一个人银行保险箱的密码，你们都可以打开保险箱，但保险箱本身不会被复制。

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从付款人的地址上解绑，然后关联到收款人的地址上。

你可以很容易地想象支付指令应该包含什么：

发送的比特币数量 付款人的钱包地址 收款人的钱包地址

电子签名

付款指令生成后，程序会用付款人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支付者钱包地址的所有者（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”）。

验证器

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建比特币？这些比特币是否已发送到其他地方？等）。

验证节点验证技术细节和业务逻辑

如果这些测试通过，则计算机将指令转发给网络上的其他节点，每个节点对收到的指令运行相同的验证测试。 请记住，在这个网络上，节点彼此不信任，因此它们对收到的所有指令运行相同的测试。 最终，网络上的所有节点都收到了付款，其在这些计算机上的状态显示为“未确认交易”。 为什么未经证实？ 因为付款已经过验证，但尚未添加到比特币分类账中。

比特币是如何被追踪的？

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（网络中的计算机）还可以将这些交易以块的形式添加到区块链中。 这就是所谓的“挖矿”。 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，您甚至可以不用计算器手动完成； 这只是故意的很多蛮力计算步骤。

矿业

挖矿实际上是一种猜谜游戏，您获胜的机会取决于您的计算机在所有正在运行的计算机中的排名。 第一个猜出正确数字的计算机生成并分发一个新块。 网络上的其他计算机将快速验证接收到的块，确认接收到的块是合规的，并将它们添加到自己的区块链中。 矿工在挖矿的过程中可以获得什么？ 每个区块的成功提交者可以获得一定数量的比特币奖励（撰写本文时，每个区块奖励 25 个比特币，大约每 4 年减半，2016 年 7 月减少为每个区块奖励 12.5 个比特币）。 大约每 10 分钟生成一个新块。