區塊鏈:科普 | 比特幣交易的過程_BTC

最近這段時間，博主在整理一份通俗易懂的挖礦科普專輯，希望從最初加密貨幣交易的發生到挖礦確認交易的各個環節，全面地介紹挖礦過程中，到底發生了什么，哪些環節產生了挖礦收益，而我們常說的算力又指的是什么，挖礦收益為何要這樣分配等等。

以比特幣為例，我們知道比特幣網絡里設計挖礦的目的是打包交易，維護比特幣網絡，那么交易其實就是跟挖礦息息相關的第一個環節。在比特幣網絡中交易的過程使用了非對稱加密技術，數字摘要技術，區塊鏈技術等，其中的技術實現，已經有眾多大神珠玉在前，博主就不獻丑了。這篇文章的主要目的是將比特幣的交易過程用較為淺顯的語言展示出來，讓更多跟筆者一樣的技術門外漢了解比特幣。

人大附中物理老師李永樂科普拜占庭將軍問題和區塊鏈:5月14日，人大附中物理老師、科普視頻網紅李永樂在其公眾號發布視頻《拜占庭將軍問題是什么？區塊鏈如何防范惡意節點？》。李永樂老師在視頻中對拜占庭將軍問題和區塊鏈進行了講解，他表示，拜占庭將軍問題本質上指的是，在分布式計算機網絡中，如果存在故障和惡意節點，是否能夠保持正常節點的網絡一致性問題。在近40年的時間里，人們提出了許多方案解決這一問題，稱為拜占庭容錯法。例如蘭波特自己提出了口頭協議、書面協議法，后來有人提出了實用拜占庭容錯PBFT算法，在2008年，中本聰發明比特幣后，人們又設想了通過區塊鏈的方法解決這一問題。區塊鏈通過算力證明來保持賬本的一致性，也就是必須計算數學題，才能得到記賬的權力，其他人對這個記賬結果進行驗證，如果是對的，就認可你的結果。與拜占庭問題比起來，就增加了叛徒的成本。[2020/5/14]

在展開說明之前，需要先安利幾個概念：

現場 | 火幣中國推出數字經濟及區塊鏈產業科普新書:金色財經現場報道，12月6日，由海南省工業和信息化廳主辦，南南合作金融中心協辦，海南生態軟件園、火幣中國承辦的“海南自貿港數字經濟和區塊鏈國際合作論壇”在海口舉行，這是全球首次區塊鏈部長級論壇。

在本次論壇上，火幣中國舉行了“數字經濟及區塊鏈產業科普系列新書發布”儀式，希望通過教材、專業教育、培訓等多種方式，幫助從業者、高校、研究機構深入了解區塊鏈，從而建立起區塊鏈全局性知識模型，真正推動區塊鏈應用落地。火幣中國CEO袁煜明介紹，將聯合機械工業出版社面向普通高等教育推出《區塊鏈導論》、《區塊鏈系統設計與應用》和《區塊鏈新商業模式分析》系列教材，這是國內最早推動的區塊鏈教材之一；火幣中國還積極參與數字經濟的研究，由中信出版社出版的新書《讀懂Libra》已經上市；由火幣中國負責編寫的區塊鏈技術科普讀物《區塊鏈技術進階指南》將于12月面世；首本行業內最全的區塊鏈應用案例集《區塊鏈產業應用100例》在本次論壇進行了首次刊印。[2019/12/6]

非對稱加密：也叫公開密鑰加密，它是通過密碼學的算法生成一對公私鑰，公鑰對外公開，私鑰由本人保管。它有兩個

聲音 | 上海股交所總經理：區塊鏈想要大規模發展要做好社會科普工作:金色財經報道，上海股交所總經理張云峰表示，區塊鏈當前還處于一個“概念”的階段，距離成熟應用，影響到百姓的日常生活還有很長的路要走。對于“區塊鏈”和其會帶來的社會和經濟效果，沈陽應當持審慎的態度。區塊鏈想要大規模發展，一方面要做好這項復雜技術的社會科普工作，加快社會大眾對區塊鏈的了解。另一方面，要充分發揮市場的作用，讓企業用實實在在的技術創新，賦能實體經濟的發展。[2019/11/17]

用途：一，他人可以將數據用公開的公鑰加密后傳輸給公鑰持有人，公鑰持有人使用對應的私鑰將數據解密，讀取信息，通過這種方式，可以保證

信息傳輸的安全性；二，公鑰持有人可以使用私鑰對

信息簽名，然后將信息和簽名一起發送給他人，他人可以通過公鑰對信息簽名進行驗證，驗證簽名信息與發送信息一致，則證明信息是由公鑰持有人發出，可以在不暴露公鑰持有人身份和私鑰的情況下，確保信息來源的可靠性。（參考鏈接：

動態 | 區塊鏈技術入選科普雜志《科學美國人》2019十大突破性技術榜單:據新浪網今日新聞報道，美國科普雜志《科學美國人》公布 2019 十大突破性技術榜單。區塊鏈技術因在保障食品安全中的作用而上榜。 入選榜單具體原因：區塊鏈技術的發展應用將顯著改善食品污染源數據追蹤的困境。利用區塊鏈云端系統，食品制造商可以依次在計算機儲存各類過程的信息。[2019/9/29]

https://en.wikipedia.org/wiki/Public-key_cryptography）

哈希算法：也叫散列函數，可以通過它將數據量較大的消息或者數據計算出一個格式固定，數據量較小的

數字摘要。好的哈希算法應該是

不可逆的，

敏感的，

防沖突的。（參考鏈接：

財政部副部長朱光耀：數字經濟還處在發展的過程中，要以科普、推動的態度來推進數字經濟發展:今日，在中國發展高層論壇2018年會上，財政部副部長朱光耀表示：“數字經濟還處在發展的過程中，要以科普、推動的態度來推進數字經濟發展。也要關注數字經濟的其他影響，包括稅收征管、反洗錢監管措施等要跟上。”[2018/3/25]

https://en.wikipedia.org/wiki/Hash_function）

比特幣里的公鑰和私鑰：比特幣世界里，用來確定比特幣歸屬的是按照比特幣協議生成的一對對公鑰和私鑰，它們通過非對稱加密算法生成，

公鑰通過兩次

哈希算法運算

得到一個散列值，再經過

Base58Check編碼生成了我們常見到的比特幣的

錢包地址。所以錢包地址經過解碼后，就可以得到對應公鑰的哈希，可以用于驗證私鑰簽名，加密數據等等。

UTXO：Unspenttransactionoutput，未花費的交易輸出，它是比特幣世界里的

抽象貨幣，每個UTXO都被一個

公鑰鎖定，只有持有該公鑰對應私鑰的人，可以

通過私鑰簽名并使用該UTXO。可以把UTXO理解為

抽象的紙幣，但它的面值不是固定的。（參考鏈接：

https://en.wikipedia.org/wiki/Unspent_transaction_output）

拋開代碼，我們接下來看看比特幣的交易是怎樣的一個過程：

如下圖，有甲、乙、丙、丁四個人，他們都有比特幣錢包，錢包私鑰自己持有，錢包地址在比特幣網絡公開，用于UTXO的鎖定和驗證。

起始，甲給丙0.7BTC，在比特幣網絡里的記錄是

UTXO(1)：甲給丙0.7BTC；乙給丙0.5BTC，在比特幣網絡里的記錄是

UTXO(2)：乙給丙0.5BTC。此時，丙的比特幣錢包的賬戶余額為這兩個UTXO之和，

丙的比特幣總數=UTXO(1)+UTXO(2)=1.2BTC。如下圖：

這天，丙向丁買了一批貨物，需要向丁支付0.8BTC。丙通過比特幣網絡向丁轉賬，但丙現有的兩個UTXO均不足0.8BTC，需要將兩個UTXO一起使用，

類似現金交易：給丁支付1.2BTC，丁找給丙0.4BTC。但在比特幣網絡中，這個

找零的工作是由丙自己發起的。

整個交易的流程如下：

丙通過比特幣錢包準備交易信息，交易信息包括輸入和輸出兩個部分，輸入是UTXO(1)和UTXO(2)，以及丙的錢包私鑰簽名

交易的輸出是未確認的UTXO(3)：丙給丁0.8BTC，這個新的UTXO指向丁的錢包公鑰，待交易確認后，將被丁的錢包公鑰鎖定。

此時還有0.4BTC需要找零給丙，因此還需要輸出一個未確認的UTXO(4):丙給丙0.3999BTC，這個新的UTXO指向丙的錢包公鑰，待交易確認后，將被丙的錢包公鑰鎖定。

為什么找零的數額不是0.4BTC呢？因為比特幣網絡要求，交易轉賬，需要向比特幣網絡支付交易手續費。剩余0.0001BTC未指向任何錢包公鑰，將作為轉賬手續費支付給打包這筆交易的礦工。

交易信息準備完畢后，經過丙的錢包驗證交易合法后，將交易廣播到比特幣網絡中，由挖礦節點驗證交易后，打包交易，并向比特幣網絡廣播，交易完成。

舊的UTXO被消耗，新的UTXO開始生效，此時丁的錢包里有一個未使用的UTXO(3):丙給丁0.8BTC，丙的錢包里有一個未使用的UTXO(4):丙給丙0.3999BTC。

以上是較為抽象的比特幣交易的過程，有關比特幣交易的構造，簽名驗證，節點驗證，交易廣播，加入挖礦節點mempool，礦工構造預備區塊，以及最終的出塊確認的過程，后續會分別介紹，本篇不做展開。

從這個抽象的交易過程，我們可以發現，比特幣的交易實質上是一堆UTXO的輸入和輸出的過程，伴隨舊的UTXO被消耗，新的UTXO產生，完成了一次又一次的比特幣交易。交易的過程由非對稱加密和哈希算法進行雙重保護，比特幣持有者可以放心完成交易而不必擔心身份被泄露，交易過程中也消耗了一部分比特幣，用于獎勵打包交易的礦工，使礦工樂于完成自己維護比特幣網絡的任務。

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