比特币基础原理

比特币是什么？

比特币是一种基于分布式网络的数字货币。

比特币系统（广义的比特币）则是用来构建这种数字货币的网络系统，是一个分布式的点对点网络系统。

数字货币是什么？

    货币可以承载债务，价格的一般等价物。货币的本质是等价物，它可以是任何东西，如：一张纸，一个数字，只要人们认可它的价值。人民币，美元等作为国家信用货币，其价值由国家主权背书。而数字货币是一种不依赖信用和实物的新型货币，它的价值由大家的共识决定。比特币就是一种数字货币。

运行原理

    银行系统的数据库里记录着客户身份id以及对应的财产，下文称这样的记录为账本，如张三的x卡xx月xx日转入1w, 余额10w；

    比特币系统也同样有这样的账本，不同银行由单一的组织负责记录,比特币的记账由所有运行系统的人共同参与记录，每个节点都保存（同步）一份完整的账本。

    同时使用多数原则，来保证账本的一致性。举个例子：如果有人在自己电脑上把自己的余额从1万改为1百万，他这个账本和大多数人的账本不一致，就会被比特币系统认为是无效的。

比特币使用区块链技术来支撑整个系统的运行，主要包含如下区块技术原理：

区块链记账原理

区块链(1.0)：一个基于密码学安全的分布式账本，是一个方便验证，不可篡改的账本。

区块链(2.0): 引入智能合约区块链，如以太坊

区块链(1.0)如何实现？

• 哈希函数：Hash(原始信息) = 摘要信息，原始信息可以是任意的信息, hash之后会得到一个简短的摘要信息。

• 哈希函数特点：

        1:  同样的原始信息用同一个哈希函数总能得到相同的摘要信息

        2:  原始信息任何微小的变化都会哈希出面目全非的摘要信息

        3:  从摘要信息无法逆向推算出原始信息

举例说明：

    Hash(张三借给李四100万，利息1%，1年后还本息 …..) = AC4635D34DEF
账本上记录了AC4635D34DEF这样一条记录。

哈希函数作用：

• 简化信息

• 标识信息

• 隐藏信息

• 验证信息

区块链记账方法

假设有一个账页序号为0的账页交易记录如下:

记账时间为：2017-10-22 10:22:02

区块链在记账是会把账页信息（包含序号、记账时间、交易记录）作为原始信息进行Hash, 得到一个Hash值，如：787635ACDFG, 用函数表示为：

Hash(序号0、记账时间、交易记录) = 787635ACDFG

账页信息和Hash值组合在一起就构成了第一个区块。

在记第2个账页的时候，会把上一个块的Hash值和当前的账页信息一起作为原始信息进行Hash,即：

Hash(上一个Hash值、序号1、记账时间、交易记录) = 456635BCD

这样第2个区块不仅包含了本账页信息，还间接的包含了第一个区块的信息。

依次按照此方法继续记账，则最新的区块总是间接包含了所有之前的账页信息。

所有这些区块组合起来就形成了区块链，

这样的区块链就构成了一个便于验证（只要验证最后一个区块的Hash值就相当于验证了整个账本），

不可更改（任何一个交易信息的更改，会让所有之后的区块的Hash值发生变化，这样在验证时就无法通过）的总账本。

比特币所有权及隐私问题-非对称加密应用

比特币系统是如何确定某个账户的比特币是属于谁的？谁可以支付这个账户比特币？

传统的银行系统：

    首先我们需要把我们的个人信息（如身份证）给银行，银行给我们开立相对应的账户，银行在开户的时候确立了对账户的所有权。

    进行支付的时候，银行对交易双方完成转账

匿名账本

    那么比特币如何在没有第三方银行的参与下，在确保隐私的同时如何确定账户所有权的呢？

    实际上比特币的账户是用地址来表示，账本上不显示个人信息，转账是把比特币从一个地址转移到另一个地址。

转账记录如这样：

{
    "付款地址"："2A39CBa2390FDe"
    "收款地址"："AAC9CBa239aFcc"
    "金额"："0.3btc"
}

接下来问题就变为了 谁有权用某个地址进行付款。支付和所有权 实际是同一个问题，如果此比特币只有我可以用来支付，那么说明我拥有所有权。比特币中采用地址和私钥来解决这个问题。

比特币中谁拥有某个地址的私钥(如果完全没有加密概念的人，可以简单的把私钥当作密码)，谁就能用这个地址进行支付。

比特币地址和私钥是一个非对称的关系，私钥经过一系列运算（其中有两次Hash）之后，可以得到地址, 但是无法从地址反推得到私钥。

地址： 2A39CBa2390FDe
私钥： sdgHsdniNIhdsgaKIhkgnakgaihNKHIskdgal

Hash(Hash(fun(sdgHsdniNIhdsgaKIhkgnakgaihNKHIskdgal)))  -> 2A39CBa2390FDe

那么针对上面的交易例子，只有拥有了私钥才能进行下一步的交易。

接下来的问题则更变成如何证明你拥有某个地址的私钥？－－－》 非对称加密技术

1: 对交易信息进行签名

在签名之前，会先对交易信息进行Hash运算得到摘要信息，然后对摘要信息进行签名。过程大概是这样：

＊对交易进行hash， 得到一个摘要信息（Hash值）

hash('
    {"付款地址"："2A39CBa2390FDe",
    "收款地址"："AAC9CBa239aFcc",
    "金额"："0.2btc"
    }') -> 8aDB23CDEA6

＊用私钥对交易摘要进行签名（付款方在安全的环境下进行，以避免私钥泄密）, 用代码表示大概是这样。

1
2
3
4

#参数1为交易摘要
#参数2为私钥
#返回签名信息
sign("8aDB23CDEA6", "J78sknJhidhLIqdngalket") -> "3cdferdadgadg"

2: 广播

    在签名运算之后，付款节点就开始在全网进行广播：我支付了0.2btc到AAC9CBa239aFcc,签名信息是3cdferdadgadg，你们来确认一下吧。

    广播过程实际上是发信息到相连的其它节点，其它节点在验证通过后再转发到与之相连的节点，这样的扩散过程。

    广播的信息包含了交易原始信息和签名信息

3: 验证

    其它节点在收到广播信息之后，会验证签名信息是不是付款方用私钥对交易原始信息签名产生的，如果验证通过说明确实是付款方本人发出的交易，说明交易有效，才会记录到账本中去。

验证过程实际是签名过程的逆运算，用代码表示大概过程是这样的：

#参数1为签名信息
#参数2为付款方地址
#返回交易摘要
verify("3cdferdadgadg", "2A39CBa2390FDe") -> "8aDB23CDEA6"

如果验证输出的信息和原始交易信息的hash一致，则验证通过，记录账本，用代码表示大概是这样：

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2
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6
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8

if(verify("3cdferdadgadg", "2A39CBa2390FDe")
    == hash('{"付款地址"："2A39CBa2390FDe",
              "收款地址"："AAC9CBa239aFcc",
              "金额"："0.2btc"}')) :
    # 写入账本 
    # 广播
else:
   # donothing

比特币挖矿－工作量证明

    比特币记账是把交易记录、交易时间、账本序号、上一个Hash值等信息计算Hash打包的过程。完成记账的节点可以获得系统给与的一定数量的比特币奖励，这个奖励的过程也就是比特币的发行过程，因此大家形象的把记账称为“挖矿”。

    记账是有奖励的，每次记账都可以给自己凭空增加一定数量的个比特币，争相记账会出现记账不一致的问题，比特币系统引入工作量证明来解决这个问题，规则如下：

• 一段时间内（10分钟左右，具体时间会与密码学难题难度相互影响）只有一人可以记账成功

• 通过解决密码学难题（即工作量证明）竞争获得唯一记账权

• 其他节点复制记账结果

不过在进行工作量证明之前，记账节点会做进行如下准备工作：

• 收集广播中还没有被记录账本的原始交易信息

• 检查每个交易信息中付款地址有没有足够的余额

• 验证交易是否有正确的签名

• 把验证通过的交易信息进行打包记录

• 添加一个奖励交易：给自己的地址增加12.5比特币

工作量证明

区块记账会把上一个块的Hash值和当前的账页信息一起作为原始信息进行Hash。如果仅仅是这样，显然每个人都可以很轻松的完成记账。

为了保证10分钟左右只有一个人可以记账，就必须要提高记账的难度，使得Hash的结果必须以若干个0开头。同是为了满足这个条件，在进行Hash时引入一个随机数变量。

用伪代码表示一下：

# 没有难度时为：Hash(上一个Hash值，交易记录集) = 456635BCD
Hash(上一个Hash值，交易记录集，随机数) = 0000aFD635BCD

我们知道改变Hash的原始信息的任何一部分，Hash值也会随之不断的变化，因此在运算Hash时，不断的改变随机数的值，总可以找的一个随机数使的Hash的结果以若干个0开头（下文把这个过程称为猜谜），率先找到随机数的节点就获得此次记账的唯一记账权。

计算量分析

    Hash值是由数字和大小写字母构成的字符串，每一位有62种可能性（可能为26个大写字母、26个小写字母，10个数字中任一个），假设任何一个字符出现的概率是均等的，那么第一位为0的概率是1/62（其他位出现什么字符先不管），理论上需要尝试62次Hash运算才会出现一次第一位为0的情况，如果前两2位为0，就得尝试62的平方次Hash运算，以n个0开头就需要尝试62的n次方次运算。

    我们结合当前实际区块#493050信息来看看：

我们可以看到Hash值以18个0开头，理论上需要尝试62的18次方次，这个数是非常非常巨大的，我已经算不清楚了，应该是亿亿级别以上了。如此大的计算量需要投入大量的计算设备、电力等，
目前应该没有单矿工独立参与挖矿了，基本都是由矿工联合起来组成矿池进行挖矿（矿池里的矿工按算力百分比来分收益）。

验证

在节点成功找到满足的Hash值之后，会马上对全网进行广播打包区块，网络的节点收到广播打包区块，会立刻对其进行验证。

如果验证通过，则表明已经有节点成功解迷，自己就不再竞争当前区块打包，而是选择接受这个区块，记录到自己的账本中，然后进行下一个区块的竞争猜谜。
网络中只有最快解谜的区块，才会添加的账本中，其他的节点进行复制，这样就保证了整个账本的唯一性。

假如节点有任何的作弊行为，都会导致网络的节点验证不通过，直接丢弃其打包的区块，这个区块就无法记录到总账本中，作弊的节点耗费的成本就白费了，因此在巨大的挖矿成本下，也使得矿工自觉自愿的遵守比特币系统的共识协议，也就确保了整个系统的安全。