【区块链】比特币的工作原理

最近学习区块链相关内容。还处于比较初级的阶段，对一些虚拟货币的工作原理我也只是粗浅的了解。我打算写两篇文章来总结一下。本文主要介绍比特币的工作原理。稍后我会写一篇关于以太坊的文章。

说到区块链，大多数人可能首先想到的是比特币。比特币确实是这几年最火的区块链产品之一（不知道能不能下架），所以我的学习也是从比特币开始的，这有助于快速建立认知。在本文中，我们将首先简要介绍比特币的金融原理，即它是如何充当虚拟货币的；然后我们将专注于技术方面，包括如何实现不变性、共识协议等等。

不可变账本

我们日常生活中使用的法定货币，比如人民币、美元，都是纸币，本身没有价值，不能作为一般等价物，所以严格来说不是货币。纸币的本质是市场活动参与者认可的约定价值符号，这种共识是建立在政府信用背书的基础上的。

那么纸币是如何运作的呢？纸币的本质是银行发行的负债。更通俗的解释是银行给你的借条。纸币的数量代表一个特定的价值。纸币可以流通，因为每个人都信任银行，所以可以通过转移银行债务来购买商品。由于纸币的底层逻辑是基于会计的，所以账本的稳定性非常重要。只有当账本不能被随意篡改时，我们才能对其建立足够的信任。在纸币系统中，账本由银行维护。根据日常经验比特币挖矿难度详细数据，银行仍然足够可靠。例如，我们的存款金额不会改变，这代表了账本有一定的稳定性。但这并不意味着账本是完全不可变的。最常见的做法是银行增加货币发行量，通过增加账本上的账户总量来稀释每个账户的价值，也就是我们常说的通货膨胀。

那么比特币是如何解决类似问题的呢？作为一种虚拟货币，比特币也是以记账为基础的。它以区块链作为账本比特币挖矿难度详细数据，利用区块链不可篡改的特性来保证账本的稳定性。同时，可预见的比特币总量是固定的，2100w左右。而区块链本身具有去中心化的特点。结果是所有节点达成共识，可以避免中心化银行大量发币的行为。

比特币的数据结构

区块链是一个区块链表。每个块由块头和块体组成。块通过哈希指针连接。在通常的数据结构中，header 包含一些元数据，body 包含具体的数据。在区块链中也是如此。区块头包含版本号、指向父区块的哈希指针、默克尔树的根哈希值、用于挖掘的随机数噪声等字段；块体是以默克尔树的形式组织的交易数据。其示意图如下。

哈希指针

指针是我们熟悉的对象。指针指向内存中的一个对象，指针的值就是该对象的内存地址。通过指针我们可以找到对应的对象。

哈希指针除了帮助我们寻址之外，还附加了对象的哈希值。这里的哈希值作为一个数字签名，也就是验证对应的对象是否被改变了。所以hash指针起到了指向+防篡改的作用。

这里需要注意的一点是，指针实际上是由内存地址指向的，但是同一个对象的内存地址在不同的计算机之后是不同的。区块链是天然分布式的，所以哈希指针的“指向”是结合KV存储实现的。即K为对象哈希值，V为实际对象。

默克尔树

比特币中的交易数据在块体中以默克尔树的形式组织起来。 Merkle树的结构如图（图片来自比特币白皮书，不过画图好像有问题，有时间看代码确认一下具体结构再画图图片自己），它类似于二叉树，只是它使用哈希指针而不是普通指针。默克尔树根节点的哈希值会写入区块头，同时作为数字签名，防止数据被篡改。

默克尔树除了防止交易数据被篡改外，另一个重要的功能就是提供默克尔证明。在谈默克尔证明之前，先简单介绍一下背景。比特币中的节点分为两种：全节点和轻节点。全节点存储区块的完整数据，而轻节点只存储区块头。全节点验证交易是否写入区块链非常简单。它只需要检查该交易是否存在于对应的Merkle树中；那么轻节点如何检查和验证交易是否写入区块链？在？这一次需要默克尔证明。其示意图如下。

假设A要向B证明交易tx被写入区块链，那么A需要将交易tx的内容和交易在Merkle tree路径上的hash值给B比如上图中交易3的路径是hash 2和hash 01，B拿到交易3后，用Hash 3和Hash 2计算Hash 23，再用Hash 23和Hash 01计算root哈希值。 B 将计算的根哈希与其本地保存的根哈希进行比较。由于哈希函数的抗碰撞性，默克尔证明是不可能被伪造的。

POW 共识

上面提到了比特币中的一些数据结构，可以防止区块链中的数据被篡改。但是分布式系统还有一个关键问题，就是如何在节点之间达成共识。具体来说，在比特币中，是谁可以获得记账权。

在一些常见的共识算法中，比如大家熟悉的paxos、raft等，都是通过投票来达成共识的。投票确实是一种主流的共识机制，但投票机制的前提是必须解决会员问题。在比特币这样的公链中，它对全网开放，成员身份难以确定。因此，比特币设计了一种基于算力的投票机制，即工作量证明。

我们在上面提到了哪些字段包含在块头中。矿工确认交易打包到最新区块后，区块头中的字段基本确定，除了随机数的nonce值。 pow 机制是让矿工不断尝试不同的 nouce 值，使整个区块头的哈希值小于目标。由于哈希函数的特性，我们可以知道这个过程是完全不规则的，我们只能不断尝试不同的值。谁拥有更强的计算能力，谁就更有可能做对会计。所以比特币也叫算力投票。

比特币交易

这部分将介绍如何确认比特币交易的有效性。

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