解密比特幣的那些核心技術原理

作者：李艷鵬，現任螞蟻金服高級技術專家，著有《分布式服務架構：原理、設計與實戰》和《可伸縮服務架構：框架與中間件》，曾經在易寶支付、花旗銀行、甲骨文、新浪微博、路透社等大型IT互聯網公司擔任技術負責人和首席架構師的工作，現專注于區塊鏈平臺的研發與推廣，擅長大規模高并發的線上與線下相結合的第三方支付平臺的架構規劃與實施。

1 背景

對于當下流行的電子貨幣-比特幣系統，朋友圈里有很多介紹性的文章，也有人試圖通過漫畫來生動的解釋比特幣的特性，但是始終不得要領，總是有些問題想不清楚，為了弄清楚這些問題，最近深入的研讀了幾本比特幣的書籍以及中本聰本人發表的比特幣論文，感覺茅塞頓開，迫不及待的與大家分享我的理解，希望與大家共同探討、共同進步。

2 比特幣

比特幣是一種利用點對點技術實現的電子現金系統，它允許一個組織直接與另外一個組織進行在線支付，而不需要中間的權威的清算機構。

在比特幣的世界里，如果你想擁有比特幣，你需要申請一個比特幣地址，就像你到銀行存款，需要開立一個賬戶，然后，你就擁有這個賬號，有了自己的賬號，你可以向你的賬號存款，別人也可以給你的賬號轉賬，當你需要提款的時候或者給別人轉賬的時候，你需要出示一個能夠打開這個地址的鑰匙，也就是你的私鑰，就像你在ATM上取款的時候需要提供密碼一樣。

與銀行發行的法定貨幣不同，法定貨幣的發行是由各國央行來統一管理的，大家都相信央行是靠譜的，不會記錯賬，也不會被人***。然而，比特幣的發行并不需要央行這樣的權威機構，它允許一筆交易從一個組織直接結算給另外一個組織，省去了權威機構結算的環節，提高了交易和結算的效率，節省了交易的成本，尤其是跨境交易的成本。

一個點對點的在線交易系統如何保證交易的匿名性、正確性、不可篡改性？又是如何防止雙重支付和防止作弊和***的呢？

下面的章節將為大家通過最通俗的語言解開比特幣的神秘面紗，讓你從邏輯上理解比特幣是如何工作的，讓學習比特幣不留死角，讓比特幣的方方面面清晰的呈現在你的腦海里。

3 區塊鏈

3.1 區塊鏈是如何存儲的？

對于一個現金賬戶系統，首先要解決的是如何記賬，把賬記在哪里，賬戶如何存儲等。例如，你在中國銀行存款，中國銀行為你開立賬戶，你的賬戶就存儲在中國銀行的服務器上，而你在建設銀行存款，建設銀行為你開立賬戶，你的賬戶就存儲在建設銀行的服務器上。如果你需要轉賬給同一個銀行的其他人的賬戶，你需要通過這個銀行為你轉賬和結算，如果你需要轉賬給其他銀行的其他人的賬戶，你需要通過銀聯為你轉賬和結算，盡管一個普通用戶感知不到如此多的過程，不過這些步驟確實是存在的，從這個過程中我們看到記賬的賬戶系統是專用的，是中心化的，歸某一個組織所有并維護，通常這個組織是權威的、可信賴的。

而比特幣并沒有中心化的記賬系統，而是通過分布式的區塊鏈來記載比特幣的擁有權和交易信息。每個比特幣的參與者都擁有一份相同的區塊鏈副本，區塊鏈包含著多個隨著時間排序的塊，后一個塊通過哈希指針指向前一個塊，形成一個鏈，從鏈的頂端通過這個指針，可以一直找到底端第一個塊，第一個塊成為創世紀塊。每個區塊記錄著前一個區塊的哈希散列值，實際上是前一個節點頭的哈希散列值，如果想改變一個區塊包含的交易，必須改變這個區塊之后所有的交易，由于每個區塊的產生是需要條件和時間的，并且條件相當苛刻（后續會在共識機制相關的文章中詳細說明），因此，一個區塊一旦產生，并且被區塊鏈的節點所接受，并且在這個節點之后又產生了一定數量的區塊，那么這個區塊基本是不可篡改的。

區塊鏈示意圖如下：

從上圖可見，區塊鏈是由多個區塊組成，每個區塊是由區塊頭和區塊體組成的，每一個區塊頭包含著區塊的元信息，同時也包含一個指向前一個區塊頭哈希值的指針，這個指針是防止區塊鏈被篡改的關鍵信息。區塊體包含比特幣的交易信息，第一個交易是特殊交易，是獎勵給挖礦節點的酬勞，這也是唯一一種可以產生比特幣的方式，也就是發行比特幣的方式，其余的交易都是轉賬交易，比特幣從一個地址支付給另外一個地址，這也是實現比特幣價值轉移的唯一方式。總結來看，比特幣只有發行和轉賬兩種交易，比特幣產生以后只能從一個人轉賬給另外一個人，而不能憑空消失，比特幣發行的總量是有限的，一共2100萬，因此是一種通縮性貨幣，后續我們會在相關的文章中詳細介紹比特并的通縮特性。

3.2 比特幣的擁有者如何證明自己擁有比特幣？

上一節介紹了區塊鏈的存儲，區塊鏈實際上是比特幣的賬本，記錄著誰擁有多少比特幣，只不過這個賬本是保存在互聯網上的、分布式的，并不是由一個中心機構或者服務器來存儲。有了賬本，剩下的問題就是比特幣的擁有者如何證明自己擁有比特幣？就像你在銀行開立了一個賬戶，等你想給其他人轉賬的時候，你需要在ATM上插入卡，然后輸入密碼。卡就相當于比特幣的地址，密碼就相當于比特幣的秘鑰，有了正確的地址和秘鑰，就可以對外宣稱自己對比特幣的擁有權，就可以把比特幣轉賬給其他人來做一筆轉賬交易。

在ATM上提取一筆現金，輸入密碼解鎖賬戶，我們相信ATM機不會泄露密碼。那么在比特幣的世界里，我們如何通過私鑰來校驗一個地址上的比特幣的歸屬權呢？

比特幣的歸屬權是通過加密領域技術來實現的，我們先來了解下加密領域的原理，加密領域大體上經過了3個階段，第一個階段拼算法，把加密邏輯寫在一個非常高深的代碼里，后來發現無論把多么復雜的邏輯寫在代碼里，總有高手可以破解。于是產生了對稱秘鑰加密，對稱秘鑰加密通過一個對稱的秘鑰進行加密數據，然后傳輸或者保存，需要的時候再通過同一個秘鑰進行解密還原原來數據，缺點是秘鑰是共享的，無法安全的保存秘鑰，尤其是跨組織的場景。后來，聰明的安全科學家們發明了非對稱加密算法，例如：RSA，非對稱算法擁有一對秘鑰，一個公鑰和一個私鑰，私鑰可以推導出公鑰，但是公鑰不能推導出私鑰，公鑰加密的數據私鑰可以解密，私鑰加密的數據公鑰可以解密，如果組織A向組織B傳遞數據，那么組織A使用公鑰進行加密，組織B使用私鑰進行解密，因此，組織B需要小心的保存好私鑰，而公鑰是公開的，這是典型的非對稱加密場景，能夠有效的防止數據被偷窺、被篡改。非對稱加密還有另外一個場景，就是簽名，簽名是加密場景的逆向場景，商戶B通過自己的私鑰加密數據，然后把加密的數據傳遞給商戶A，商戶A通過公鑰進行解密，如果解密的數據正確，則說明數據是由A發送的，有效的保證了數據的防篡改，從這兩個場景我們看到，公鑰是公開的，可發給任何人，私鑰是私密的，用來解密或者簽名的。

比特幣證明歸屬權的示意圖如下：

從上圖可見，現實生活中我們用鑰匙打開鎖頭，我們用密碼在ATM上提取現金，那么在比特幣系統里，我們通過秘鑰來實現比特幣的轉賬，實現價值的轉移。

更具體來講，一筆比特幣交易會把一定數量的腳本鎖定在一個地址，聲明擁有這個地址的用戶會通過密匙的簽名來證明自己擁有這個地址，然后，花費這筆比特幣，這筆比特幣被花費后并不會消失，會被鎖定在其他人的地址上，其他人可以使用同樣的方法來花費這筆比特幣。

從上面的過程，我們總結了兩個動作，鎖定與解鎖，這和我們平時鎖鎖頭和開鎖頭是對應的，在比特幣系統里是通過鎖定腳本和解鎖腳本來實現的。

1. 鎖定腳本把比特幣關聯在一個比特幣地址上，證明了比特幣歸屬這個地址。
2. 解鎖腳本提供證明，證明這個地址歸我所有，這個比特幣也歸我所有，我可以用來支付。

下面我們舉一個例子詳細說明：

用戶Alice在比特幣里地址A上擁有10個比特幣，Alice與Bob想做一筆交易，Bob把自己家的汽車賣給了Alice，Alice需要向Bob支付10個比特幣，Bob的比特幣地址是B。

在之前的交易中，Alice擁有的10個比特幣被鎖定在Alice的比特幣地址A上，其來源可能是挖礦所得或者別人轉賬而來，我們會在后續詳細描述如何獲得比特幣，這里我們只關注證明Alice擁有比特幣的交易的鎖定腳本。

鎖定腳本的邏輯格式為：

如果想花費這個鎖定腳本，需要的解鎖腳本如下:

具體的解鎖過程如下：

1. 使用地址A的公匙推導出地址，與地址A對比，如果一致則證明公匙提供正確，進入下一步。
2. 使用地址A的公匙解密簽名，如果獲得的值與前一區塊的哈希散列值一致，則證明解鎖成功，可以花費地址上的10個比特幣。

其實，鎖定和解鎖腳本是通過逆波蘭表示法的基于堆棧的腳本實現的，由于本文篇幅有限，這里不展開介紹，會在后續的文章中詳細介紹鎖定和解鎖腳本的原理和流程。

4. 挖礦

上一節介紹了比特幣使用分布式存儲的區塊鏈作為記賬系統，也解決了大家關于如何聲明比特幣的擁有權，以及把比特幣支付給其他人的過程。現在我們遇到了新的問題，既然區塊鏈是分布式的記賬系統，每個參與的節點都有一份拷貝，那么誰來負責把一筆交易記到區塊鏈呢？

這不得不引入一個新的概念，就是共識機制，比特幣是通過工作量證明的共識機制來決定記賬權的，通俗來講，誰證明了自己的工作量最大，誰就負責記賬。

工作量證明示意圖如下：

工作量大小是通過計算符合某一個標準的比特幣區塊頭的哈希散列值來體現的。試圖爭奪記賬權的節點稱為挖礦節點，挖礦節點會把網絡節點上發來的交易進行驗證（網絡傳播機制會在下一節中介紹），驗證后會存入緩沖區，形成一定的交易存儲結構（交易使用Merkle樹存儲，后續問斬各種介紹），放在區塊體中，然后根據區塊的基本信息構造區塊頭，區塊頭通常包含前一個區塊的哈希散列值、Merkle根（后續文章會詳細介紹）、時間戳、難度目標、以及一個填充的隨機值。這里面的隨機值是隨機產生并且填充的，挖礦過程就是求出一個能夠填充本區塊頭的隨機值，讓區塊頭的哈希散列值符合某一個標準，例如：哈希散列值的前某些位為0，難度目標就是用來表達哈希散列值標準的難度系數，可以通過概率算法計算出難度值與挖礦成功的可能性。

網絡上的每一個礦機接收并驗證了一批交易，然后就開始進行挖礦，視圖計算滿足某一難度值的區塊頭的哈希散列值，如果計算成功，則挖礦成功，向全網廣播挖礦所得，全網節點驗證后，把這個區塊連接到區塊的最上端，并且在全網達成一致。礦機需要反復的試驗隨機填充值來進行求解，一般采用產生隨機數，嘗試把產生的隨機數填充到區塊頭，然后計算哈希，后續文章會介紹礦機聯盟，礦機聯盟會把隨機數分成多個小區間，分配給聯盟中的成員，共同求解。

除了上面介紹的工作量證明機制，還有權益證明、股份制的權益證明共識機制等，后續我會在共識機制的專題文章中與大家分享。

5. P2P網絡

前面兩節介紹了比特幣的賬戶體系和記賬機制，這節我們討論比特幣的分布式區塊鏈賬本是如何在網絡上傳輸，交易又是如何在網絡上傳輸并得到驗證的。

比特幣網絡中的節點都是對等的，沒有中心化的服務器，節點有不同的類型，不同的類型有不同的職責，我們會在將來的文章中詳細介紹，這里我們只介紹全節點，也就是比特幣核心客戶端的工作機制。

比特幣中的全節點除了存儲完整區塊鏈，還具有礦工、錢包、路由節點等的角色，他們的職責如下：

1. 礦工：就像挖礦的工人一樣，做的是體力活，不斷的嘗試在構造的區塊頭的隨機字段上填充數字，來找到滿足一定標準的哈希散列值，如果找到，把此區塊連接到區塊鏈的最上端，并且把合法的區塊鏈發送給鄰接節點。
2. 錢包：區塊鏈記載了創幣交易和轉賬交易，這有別于通常意義的賬戶系統，通常意義的賬戶系統記錄賬戶余額，而區塊鏈里面只記錄了交易，沒有余額，錢包就是用來從區塊鏈中算出某個地址擁有區塊的余額，如果你學過關系型數據庫，你可以把區塊鏈理解為數據庫的索引，也可以認為是一本書的目錄。
3. 路由節點：負責在去中心化的網絡環境中傳遞交易和區塊，一個節點創建一筆交易，并發送給相鄰的節點，相鄰的節點驗證后，再發送給相鄰的節點，很快會傳遍網絡。如果一個節點通過挖礦，找到一個符合標準的區塊，這個節點也會用相同的方式傳遞給相鄰節點，然后相鄰節點再繼續傳播下去，讓網絡的所有節點都達成一致。

P2P網絡傳播的示意圖如下：

我們會在后續的文章中詳細介紹比特幣P2P網絡的工作機制，包括節點分類、節點發現、節點連接和廣播等。

6. 總結

由于篇幅有限，本文介紹了比特幣的三大基礎概念，包括區塊鏈、挖礦與P2P網絡，后續會對比特幣的方方面面進行詳細的說明，涉及到如何防止雙重支付、智能合約、區塊鏈分叉、通縮特性、鎖定和解鎖腳本、交易的Merkle樹存儲、交易的存儲格式、區塊鏈被***的概率、挖礦難度與挖礦成功時間、更多的共識機制、創幣交易和轉賬交易、比特幣的性能、不同類型的挖礦節點、以及比特幣的應用場景等。

本文來自于【云時代架構】公眾號。

作者，李艷鵬，『云時代架構』技術社區創始人，著有《分布式服務架構：原理、設計與實戰》與《可伸縮服務架構：框架與中間件》，現任某知名支付平臺架構組負責人，曾經在花旗銀行、甲骨文、路透社、新浪微博等大型IT互聯網公司擔任技術負責人和架構師的工作，現專注大規模高并發的線上和線下支付平臺的應用架構和技術架構的規劃與落地，負責交易、支付、渠道、出款、風控、對賬等核心支付系統的設計與實現，在移動支付、聚合支付、合規賬戶、掃碼支付、標記化支付等業務場景上有產品應用架構規劃與落地的實踐經驗。