比特币的工作原理

如何对比特币进行具体分类是一个有争议的问题。它是一种货币、一种价值存储手段、一种支付网络，还是一种资产类别？

幸运的是，定义比特币实际上是什么更容易。它是一种软件，是一种纯粹的数字现象——一组协议和流程。

这也是数百次利用加密技术创造虚拟货币的尝试中最成功的一次。比特币启发了数百个模仿者，但就市值而言，它仍然是最大的加密货币，在其十多年的历史中一直保持着这一地位。

与标准货币一样，比特币的生产、流程和保障措施都是为了防止欺诈并确保其价值升值。比特币的主要组成部分是区块链、挖矿、哈希、减半、密钥和钱包。下面将详细讨论它们。

（一般说明：根据比特币基金会的规定，“比特币”一词在指加密货币实体时大写，在指货币数量或单位本身时则为“bitcoin”。比特币也缩写为BTC 。在本文中，我们将交替使用这些用法。）

区块链

比特币是一种基于区块链协议的网络。虽然比特币没有提到“区块链”这个词，但自称中本聪(Satoshi Nakamoto)的个人或团体在 2008 年发表的一篇论文首次描述了使用区块链来验证交易并在网络中建立信任。

区块链​ 此后已演变为一个独立的概念，并且已使用类似的加密技术创建了数千个区块链。这段历史可能会使命名法令人困惑。区块链有时指的是原始的比特币区块链。在其他时候，它指的是一般的区块链技术，或任何其他特定的区块链，例如支持以太坊的区块链。

任何给定的区块链都由按时间顺序排列的离散信息块组成。原则上，这些信息可以包括电子邮件、合同、土地所有权、结婚证或债券交易。理论上，只要双方同意，任何类型的合同都可以在区块链上建立。这消除了第三方参与任何合同的需要，并开辟了一个充满可能性的世界，包括点对点金融产品，例如贷款或分散的储蓄和支票账户，其中银行或任何中介机构都无关紧要。

区块链的多功能性引起了政府和私营企业的关注；事实上，一些分析师认为，区块链技术最终将成为加密货币热潮中最具影响力的方面。

就比特币而言，区块链上的信息主要是交易。比特币实际上只是一个列表。人 A 向人 B 发送 X 比特币，人 B 向人 C 发送 Y 比特币，等等。通过统计这些交易，每个人都知道个人用户的立场。需要注意的是，这些交易不一定需要发生在人与人之间。

比特币的区块链网络为物联网创造了巨大的可能性。未来，我们可以看到自动驾驶出租车或 Uber 车辆拥有自己的区块链钱包的系统。乘客可以直接向汽车发送加密货币，在收到资金之前，这些加密货币不会移动。车辆将能够评估何时需要燃料并使用其钱包来方便加油。

区块链的另一个名称是“分布式账本”，这强调了这项技术与保存完好的 Word 文档之间的关键区别。比特币的区块链是分布式的，这意味着它是公开的。任何人都可以完整下载它，或者访问任何数量的解析它的网站。这意味着记录是公开的，但这也意味着有复杂的措施来更新区块链账本。没有中央权威机构来监视所有比特币交易，因此参与者自己通过创建和验证交易数据“块”来监视。有关更多信息，请参阅下面有关挖掘的部分。

您可以在网站上查看区块的状态及其相关交易。此类网站列出了交易方的地址标识符、日期、交易发生的日期以及交易的时间。

一长串的数字和字母就是地址，如果你是执法人员或消息灵通的人，你很可能就能找出谁控制了它们。认为比特币网络完全匿名是一种误解，尽管采取某些预防措施可以使个人与交易联系起来变得非常困难。

后信托

尽管比特币是绝对公开的，或者更确切地说，正因为如此，它才具有极强的抗篡改能力。比特币没有实体存在，所以你无法通过将其锁在保险箱中或埋在树林中来保护它。理论上，窃贼要想从你那里窃取比特币，只需在账本上加一行，意思是“你把你所有的钱都付给我了”。

一个相关的担忧是双重支付。如果一个坏人可以花掉一些比特币，然后再次花掉，那么人们对该货币价值的信心就会迅速消失。要实现双重支付，坏人需要拥有比特币 51% 的挖矿算力。比特币网络越大，这种情况就越不现实，因为所需的计算能力将是天文数字，而且极其昂贵。

为了进一步防止这两种情况发生，你需要信任。在这种情况下，传统货币的惯常解决方案是通过银行等中央中立仲裁机构进行交易。然而，比特币已经让这变得没有必要。（中本聪最初的描述发表于 2008 年 10 月，当时人们对银行的信任度处于几代人的低点，这可能并非巧合。）比特币网络是去中心化的，而不是由可靠的权威机构来保管账本并主持网络。每个人都在监视其他人。

无需认识或信任任何人，系统即可正常运行。假设一切按预期运行，加密协议可确保每笔交易都固定在一条长而透明且不可更改的链条的最后一块上。

矿业

维护这个无需信任的公共账本的过程被称为挖矿。比特币用户之间进行加密货币交易的网络背后是矿工网络，他们将交易记录在区块链上。

对于现代计算机来说，记录一系列交易并不难，但挖矿却很难，因为比特币软件人为地延长了这一过程。如果没有额外的难度，人们可能会伪造交易来致富或让其他人破产。他们可以在区块链中记录欺诈交易，并在其上堆积大量琐碎交易，以至于解开欺诈行为将变得不可能。

同样的道理，将欺诈交易插入过去的区块也很容易。网络将变成一个由相互竞争的账本组成的杂乱无章的垃圾网络，比特币将变得一文不值。

将“工作量证明”与其他加密技术相结合是中本聪的突破。比特币的软件会调整矿工面临的难度，以将网络限制为每 10 分钟产生一个新的 1 兆字节交易块。这样，交易量就可以消化。网络有时间审查新区块和之前的账本，每个人都可以就现状达成共识。矿工通过将区块添加到分布式账本来验证交易并非纯粹是出于希望比特币网络顺利运行的愿望；他们也会因自己的工作而获得报酬。我们将在下文中仔细研究挖矿报酬。

减半

如前所述，矿工验证交易区块后会获得比特币奖励。每挖出 210,000 个区块，即大约每四年，奖励就会减半。这一事件被称为减半或“减半”。该系统内置了通货紧缩机制，以控制新比特币的发行速度。

这一过程的设计目的是让比特币挖矿的奖励持续到 2140 年左右。当所有比特币都从代码中被挖出，并且所有减半都完成后，矿工将继续通过向网络用户收取费用来激励自己。希望良性竞争能将费用保持在低位。

该系统提高了比特币的存量流量比，并降低了其通胀率，直到最终为零。在 2020 年 5 月 11 日第三次减半之后，每个区块的奖励变为 6.25 个比特币。

哈希

以下是关于挖矿工作原理的更技术性的描述。矿工网络遍布全球，彼此之间没有个人或职业关系，他们会收到最新一批交易数据。他们通过加密算法运行数据，生成“哈希值”——一串数字和字母，用于验证信息的有效性，但不会泄露信息本身。（实际上，这种去中心化挖矿的理想愿景已不再准确，工业规模的矿场和强大的矿池形成了寡头垄断。下文将详细介绍。）

给定哈希 0000000000000000000c2c4d562265f272bd55d64f1a7c22ffeb66e15e826ca30，您无法知道相关区块（#480504）包含哪些交易。但是，您可以获取一堆声称是区块 #480504 的数据，并确保它没有受到任何篡改。如果一个数字不对，无论多么微不足道，数据都会生成完全不同的哈希值。例如，如果您通过哈希计算器运行《独立宣言》，您可能会得到 839f561caa4b466c84e2b4809afe116c76a465ce5da68c3370f5c36bd3f67350。但是，删除“submitted to a candid world”后面的句号，您就会得到 800790e4fd445ca4c5e3092f9884cdcd4cf536f735ca958b93f60f82f23f97c4。这是一个完全不同的哈希，尽管您只更改了原始文本中的一个字符。

哈希值允许比特币网络即时检查区块的有效性。梳理整个账本以确保挖掘最新一批交易的人没有做任何奇怪的事情将非常耗时。相反，前一个区块的哈希值会出现在新区块中。如果前一个区块中最细微的细节被更改，该哈希值也会改变。即使更改发生在链中的 20,000 个区块中，该区块的哈希值也会引发一系列新的哈希值并泄露给网络。

不过，生成哈希值实际上并不需要工作。这个过程非常快速和简单，以至于坏人仍然可以向网络发送垃圾邮件，甚至在有足够的计算能力的情况下，在链中将欺诈交易传递到几个区块。因此，比特币协议需要工作量证明。

它通过向矿工抛出一道难题来实现这一点：他们的哈希值必须低于某个目标。这就是为什么区块 #480504 的哈希值以一长串零开头的原因。它很小。因为每个数据串都会生成一个且只有一个哈希值，所以要获得足够小的哈希值需要在数据末尾添加 nonce（“使用一次的数字”）。因此，矿工将运行 [thedata]。如果哈希值太大，她将重试。[thedata]1。仍然太大。[thedata]2。最后，[thedata]93452 为她提供了一个以所需数量的零开头的哈希值。

挖出的区块将被广播到网络以接收确认，这需要大约一个小时左右的时间，有时甚至更长。（再次强调，这个描述是简化的。区块不是整体哈希化的，而是被分解成更高效的结构，称为Merkle 树。）