【二期二团Day6-胡纪元】比特币运行原理 - 网赚论坛

在计算机科学中，Hash 通常被翻译为“散列”。散列函数的功能是将任意长度的不同信息（例如数字、文本或其他信息）转化为长度相等但内容不同的二进制数列（由0 和 1 组成）。以比特币采用的 SHA256 为例，任意长度的信息输入通过这个函数都可以转换成一组长度为 256 个的二进制数字，以便统一的存储和识别。256 个 0 或 1 最多可以组合成 2256 个不同的数，这个庞大的集合能够满足与比特币相关的任何标记需要。此外，任意两个不同的信息输入，想要通过 SHA256 产生相同数字输出的概率，可以说微乎其微。因为输入信息的微小变动将会导致输出数字的巨大变化。这就保证了输入信息与输出数字的一一对应。最后，散列还有一个重要特征，即想要通过输出数字来反推出输入信息，这是极其困难的。因此，如果想要生成一个特殊的输出数字，就只能通过随机尝试的办法逐个进行正向运算，而不能由输出结果逆向推出输入信息。这个特征是比特币能够顺利运行的重要基石。

倾注了更多更复杂劳动的事物具有更高的价值，这是比特币运行的哲学基础。让我们先以防范垃圾邮件为例来说明什么是工作量证明。不妨做出如下假定，即如果一个人愿意花 10 分钟写一封邮件，他就不会在意再多花一分钟对其进行处理，以证明自己写邮件付出的努力是真实的。而对垃圾邮件的传播者而言，每封邮件都要多花一分钟才能发送，这是完全不能接受的。因此我们可以设立以下规则，即在每次发送邮件之前都要算出一个随机数，以至于将这个随机数和邮件内容一起输入 SHA256 散列函数时，得到的 256 位二进制数的前 10 位均为 0。如前所述，我们无法预先选择一个前十位为 0 的数，并利用 SHA256 算法反推出这个随机数是什么。唯一可行的办法只能是随机抽取一个数，将其和邮件内容放入 SHA256 中进行计算，看结果是否满足要求。如果不满足，就换一个随机数继续进行尝试，直到要求满足为止。只要我们设定的要求足够简单（要求全为 0 的个数不太多），那么寻找这个随机数的过程也就比较简单，只不过要花去一定的时间（例如几秒或几分钟）。对于真实的邮件而言，为了证明自身价值，付出少量时间进行计算是值得的。但对于垃圾邮件而言，这将导致邮件发送者的时间成本急剧上升。因此，上述机制的引入将会显著减少垃圾邮件的产生。对比特币而言，挖矿也是使用随机数进行工作量证明的过程。这种过程虽然从表面上来看没有产生任何价值，但却是解决互联网中信任问题的有效办法，是在不可靠的网络环境中一种较为可靠的信用证明。

该体系简称公钥体系。在信息传递过程中，发送方通过一把密钥将信息加密，接收方在收到信息后，再通过配对的另一把密钥对信息进行解密，这就保证了信息传递过程的私密性与安全性。而密钥无非是一组数字，通过将原始信息与这组数字放在一起进行特定运算，就能够把信息转换为另外一种格式，从而实现加密。解密过程则刚好相反。在大多数情况下，一组密钥由公钥和私钥组成。私钥由自己保存，公钥则需要向其他人公开。在信息传递过程中，公钥和私钥相互配合，既能够对持有私钥的发信人进行身份验证，也能够确保发信人对自己发出的信息不能抵赖，还能够保证收发信息的完整性、防止中间环节被截获篡改。如果公钥丢失，还可以通过私钥进行恢复。但试图通过公钥反推出私钥的努力，从理论上来讲是基本不可行的，这就保证了私钥的私密性。

交易是指一个用户用比特币向另一个用户进行支付的过程。不过，比特币的交易并非简单的支付货币本身。以图 1 中的交易 1 为例，如果 B 想支付 100 个比特币（100BTC）给 C，那么 B 不仅需要在交易单上注明金额，而且需要注明这 100 个比特币的来源。如图 1 所示，B 的 100BTC 其实来自 A，是 B 通过交易 0 得到的（交易0 已经通过了全网用户的认证，保存在所有用户的电脑中）。为完成交易 1，B 需要在交易单上填写的信息包括：一是 100BTC 的来源，此处为交易单 0 的 ID；二是 C 的公钥，也即 C 的比特币收款地址；三是将交易单 0 的内容和 C 的公钥输入散列函数，得到一串数字。B 用自己的私钥加密这串数字，作为数字签名放在交易单 1 中。C 在收到交易单 1 之后，可以通过其中存放的 ID 找到交易单 0，并获取 B 的公钥。C 可以使用该公钥对交易单 1 中的数字签名进行解密。与此同时，C 可以把自己的公钥和交易单 0 的内容，按照同样的方式输入散列函数，并将得到的数字与数字签名解密结果进行比对。如果比对成功，就可以确定如下两个事实：其一，100BTC 的来源属实。因为交易单 0 中包含了 A 的签名，且交易单 0 是经过全网认证过的，即 A 确实将 100BTC 给了 B；其二，交易 1 的确是经由 B 签署的。由于 B 的私钥是唯一的，他无法抵赖这单交易。

依然以交易 1 为例，交易单 1 中其实包含以下六种信息：一是交易单 1 的 ID；二是资金的来源，即交易单 0 的 ID；三是 A 对资金的签名，以证明是他把 100BTC 给 B的；四是资金的去向，即 C 的账号（公钥）；五是资金的数额，即 100 BTC；六是 B的签名（即 B 用自己私钥进行的数字签名），以证明是他自己签发的交易。由于每笔交易单都记录了该笔资金的前一个拥有者、当前拥有者以及后一个拥有者，我们就可以依据交易单实现对资金的全程追溯。这也是比特币的典型特征之一。最后，当每一笔交易完成时，系统都会向全网进行广播，告诉所有用户这笔交易的实施。

交易和区块的关系，就如同水和瓶子，属于内容和容器的关系。由于每笔交易是相对分散的，为了更好地统计交易，比特币系统创造了区块这一概念。每个区块均包含以下三种要素：一是本区块的 ID（散列）；二是若干交易单；三是前一个区块的 ID（散列）。比特币系统大约每十分钟创建一个区块，其中包含了这段时间里全球范围内发生的所有交易。每个区块中也包含了前一个区块的 ID，这种设计使得每个区块都能找到其前一个节点，如此可一直倒推至起始节点，从而形成了一条完整的交易链条（图 2）。因此，从比特币的诞生之日起，全网就形成一条唯一的主区块链，其中记录了从比特币诞生以来的所有交易记录，并以每十分钟新增一个节点的速度无限扩展。这条主区块链在每添加一个节点后，都会向全网广播，从而使得每台参与比特币交易的电脑上都有一份拷贝。在现实世界里，每笔非现金交易都由银行系统进行记录，一旦银行计算机网络崩溃，所有数据都会遗失。而在互联网世界里，比特币的所有交易记录都保存在全球无数台计算机中，只要全球有一台装有比特币程序的计算机还能工作，这条主区块链就可以被完整地读取。如此高度分散化的交易信息存储，使得比特币主区块链完全遗失的可能性变得微乎其微。