解密比特幣的那些核心技術(shù)原理

作者：李艷鵬，現(xiàn)任螞蟻金服高級(jí)技術(shù)專家，著有《分布式服務(wù)架構(gòu)：原理、設(shè)計(jì)與實(shí)戰(zhàn)》和《可伸縮服務(wù)架構(gòu)：框架與中間件》，曾經(jīng)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(lián)網(wǎng)公司擔(dān)任技術(shù)負(fù)責(zé)人和首席架構(gòu)師的工作，現(xiàn)專注于區(qū)塊鏈平臺(tái)的研發(fā)與推廣，擅長(zhǎng)大規(guī)模高并發(fā)的線上與線下相結(jié)合的第三方支付平臺(tái)的架構(gòu)規(guī)劃與實(shí)施。

1 背景

對(duì)于當(dāng)下流行的電子貨幣-比特幣系統(tǒng)，朋友圈里有很多介紹性的文章，也有人試圖通過(guò)漫畫(huà)來(lái)生動(dòng)的解釋比特幣的特性，但是始終不得要領(lǐng)，總是有些問(wèn)題想不清楚，為了弄清楚這些問(wèn)題，最近深入的研讀了幾本比特幣的書(shū)籍以及中本聰本人發(fā)表的比特幣論文，感覺(jué)茅塞頓開(kāi)，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(jìn)步。

2 比特幣

比特幣是一種利用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的電子現(xiàn)金系統(tǒng)，它允許一個(gè)組織直接與另外一個(gè)組織進(jìn)行在線支付，而不需要中間的權(quán)威的清算機(jī)構(gòu)。

在比特幣的世界里，如果你想擁有比特幣，你需要申請(qǐng)一個(gè)比特幣地址，就像你到銀行存款，需要開(kāi)立一個(gè)賬戶，然后，你就擁有這個(gè)賬號(hào)，有了自己的賬號(hào)，你可以向你的賬號(hào)存款，別人也可以給你的賬號(hào)轉(zhuǎn)賬，當(dāng)你需要提款的時(shí)候或者給別人轉(zhuǎn)賬的時(shí)候，你需要出示一個(gè)能夠打開(kāi)這個(gè)地址的鑰匙，也就是你的私鑰，就像你在ATM上取款的時(shí)候需要提供密碼一樣。

與銀行發(fā)行的法定貨幣不同，法定貨幣的發(fā)行是由各國(guó)央行來(lái)統(tǒng)一管理的，大家都相信央行是靠譜的，不會(huì)記錯(cuò)賬，也不會(huì)被人***。然而，比特幣的發(fā)行并不需要央行這樣的權(quán)威機(jī)構(gòu)，它允許一筆交易從一個(gè)組織直接結(jié)算給另外一個(gè)組織，省去了權(quán)威機(jī)構(gòu)結(jié)算的環(huán)節(jié)，提高了交易和結(jié)算的效率，節(jié)省了交易的成本，尤其是跨境交易的成本。

一個(gè)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的在線交易系統(tǒng)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(jié)將為大家通過(guò)最通俗的語(yǔ)言解開(kāi)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(xué)習(xí)比特幣不留死角，讓比特幣的方方面面清晰的呈現(xiàn)在你的腦海里。

3 區(qū)塊鏈

3.1 區(qū)塊鏈?zhǔn)侨绾未鎯?chǔ)的？

對(duì)于一個(gè)現(xiàn)金賬戶系統(tǒng)，首先要解決的是如何記賬，把賬記在哪里，賬戶如何存儲(chǔ)等。例如，你在中國(guó)銀行存款，中國(guó)銀行為你開(kāi)立賬戶，你的賬戶就存儲(chǔ)在中國(guó)銀行的服務(wù)器上，而你在建設(shè)銀行存款，建設(shè)銀行為你開(kāi)立賬戶，你的賬戶就存儲(chǔ)在建設(shè)銀行的服務(wù)器上。如果你需要轉(zhuǎn)賬給同一個(gè)銀行的其他人的賬戶，你需要通過(guò)這個(gè)銀行為你轉(zhuǎn)賬和結(jié)算，如果你需要轉(zhuǎn)賬給其他銀行的其他人的賬戶，你需要通過(guò)銀聯(lián)為你轉(zhuǎn)賬和結(jié)算，盡管一個(gè)普通用戶感知不到如此多的過(guò)程，不過(guò)這些步驟確實(shí)是存在的，從這個(gè)過(guò)程中我們看到記賬的賬戶系統(tǒng)是專用的，是中心化的，歸某一個(gè)組織所有并維護(hù)，通常這個(gè)組織是權(quán)威的、可信賴的。

而比特幣并沒(méi)有中心化的記賬系統(tǒng)，而是通過(guò)分布式的區(qū)塊鏈來(lái)記載比特幣的擁有權(quán)和交易信息。每個(gè)比特幣的參與者都擁有一份相同的區(qū)塊鏈副本，區(qū)塊鏈包含著多個(gè)隨著時(shí)間排序的塊，后一個(gè)塊通過(guò)哈希指針指向前一個(gè)塊，形成一個(gè)鏈，從鏈的頂端通過(guò)這個(gè)指針，可以一直找到底端第一個(gè)塊，第一個(gè)塊成為創(chuàng)世紀(jì)塊。每個(gè)區(qū)塊記錄著前一個(gè)區(qū)塊的哈希散列值，實(shí)際上是前一個(gè)節(jié)點(diǎn)頭的哈希散列值，如果想改變一個(gè)區(qū)塊包含的交易，必須改變這個(gè)區(qū)塊之后所有的交易，由于每個(gè)區(qū)塊的產(chǎn)生是需要條件和時(shí)間的，并且條件相當(dāng)苛刻（后續(xù)會(huì)在共識(shí)機(jī)制相關(guān)的文章中詳細(xì)說(shuō)明），因此，一個(gè)區(qū)塊一旦產(chǎn)生，并且被區(qū)塊鏈的節(jié)點(diǎn)所接受，并且在這個(gè)節(jié)點(diǎn)之后又產(chǎn)生了一定數(shù)量的區(qū)塊，那么這個(gè)區(qū)塊基本是不可篡改的。

區(qū)塊鏈?zhǔn)疽鈭D如下：

從上圖可見(jiàn)，區(qū)塊鏈?zhǔn)怯啥鄠€(gè)區(qū)塊組成，每個(gè)區(qū)塊是由區(qū)塊頭和區(qū)塊體組成的，每一個(gè)區(qū)塊頭包含著區(qū)塊的元信息，同時(shí)也包含一個(gè)指向前一個(gè)區(qū)塊頭哈希值的指針，這個(gè)指針是防止區(qū)塊鏈被篡改的關(guān)鍵信息。區(qū)塊體包含比特幣的交易信息，第一個(gè)交易是特殊交易，是獎(jiǎng)勵(lì)給挖礦節(jié)點(diǎn)的酬勞，這也是唯一一種可以產(chǎn)生比特幣的方式，也就是發(fā)行比特幣的方式，其余的交易都是轉(zhuǎn)賬交易，比特幣從一個(gè)地址支付給另外一個(gè)地址，這也是實(shí)現(xiàn)比特幣價(jià)值轉(zhuǎn)移的唯一方式。總結(jié)來(lái)看，比特幣只有發(fā)行和轉(zhuǎn)賬兩種交易，比特幣產(chǎn)生以后只能從一個(gè)人轉(zhuǎn)賬給另外一個(gè)人，而不能憑空消失，比特幣發(fā)行的總量是有限的，一共2100萬(wàn)，因此是一種通縮性貨幣，后續(xù)我們會(huì)在相關(guān)的文章中詳細(xì)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(jié)介紹了區(qū)塊鏈的存儲(chǔ)，區(qū)塊鏈實(shí)際上是比特幣的賬本，記錄著誰(shuí)擁有多少比特幣，只不過(guò)這個(gè)賬本是保存在互聯(lián)網(wǎng)上的、分布式的，并不是由一個(gè)中心機(jī)構(gòu)或者服務(wù)器來(lái)存儲(chǔ)。有了賬本，剩下的問(wèn)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(kāi)立了一個(gè)賬戶，等你想給其他人轉(zhuǎn)賬的時(shí)候，你需要在ATM上插入卡，然后輸入密碼?？ň拖喈?dāng)于比特幣的地址，密碼就相當(dāng)于比特幣的秘鑰，有了正確的地址和秘鑰，就可以對(duì)外宣稱自己對(duì)比特幣的擁有權(quán)，就可以把比特幣轉(zhuǎn)賬給其他人來(lái)做一筆轉(zhuǎn)賬交易。

在ATM上提取一筆現(xiàn)金，輸入密碼解鎖賬戶，我們相信ATM機(jī)不會(huì)泄露密碼。那么在比特幣的世界里，我們?nèi)绾瓮ㄟ^(guò)私鑰來(lái)校驗(yàn)一個(gè)地址上的比特幣的歸屬權(quán)呢？

比特幣的歸屬權(quán)是通過(guò)加密領(lǐng)域技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，我們先來(lái)了解下加密領(lǐng)域的原理，加密領(lǐng)域大體上經(jīng)過(guò)了3個(gè)階段，第一個(gè)階段拼算法，把加密邏輯寫(xiě)在一個(gè)非常高深的代碼里，后來(lái)發(fā)現(xiàn)無(wú)論把多么復(fù)雜的邏輯寫(xiě)在代碼里，總有高手可以破解。于是產(chǎn)生了對(duì)稱秘鑰加密，對(duì)稱秘鑰加密通過(guò)一個(gè)對(duì)稱的秘鑰進(jìn)行加密數(shù)據(jù)，然后傳輸或者保存，需要的時(shí)候再通過(guò)同一個(gè)秘鑰進(jìn)行解密還原原來(lái)數(shù)據(jù)，缺點(diǎn)是秘鑰是共享的，無(wú)法安全的保存秘鑰，尤其是跨組織的場(chǎng)景。后來(lái)，聰明的安全科學(xué)家們發(fā)明了非對(duì)稱加密算法，例如：RSA，非對(duì)稱算法擁有一對(duì)秘鑰，一個(gè)公鑰和一個(gè)私鑰，私鑰可以推導(dǎo)出公鑰，但是公鑰不能推導(dǎo)出私鑰，公鑰加密的數(shù)據(jù)私鑰可以解密，私鑰加密的數(shù)據(jù)公鑰可以解密，如果組織A向組織B傳遞數(shù)據(jù)，那么組織A使用公鑰進(jìn)行加密，組織B使用私鑰進(jìn)行解密，因此，組織B需要小心的保存好私鑰，而公鑰是公開(kāi)的，這是典型的非對(duì)稱加密場(chǎng)景，能夠有效的防止數(shù)據(jù)被偷窺、被篡改。非對(duì)稱加密還有另外一個(gè)場(chǎng)景，就是簽名，簽名是加密場(chǎng)景的逆向場(chǎng)景，商戶B通過(guò)自己的私鑰加密數(shù)據(jù)，然后把加密的數(shù)據(jù)傳遞給商戶A，商戶A通過(guò)公鑰進(jìn)行解密，如果解密的數(shù)據(jù)正確，則說(shuō)明數(shù)據(jù)是由A發(fā)送的，有效的保證了數(shù)據(jù)的防篡改，從這兩個(gè)場(chǎng)景我們看到，公鑰是公開(kāi)的，可發(fā)給任何人，私鑰是私密的，用來(lái)解密或者簽名的。

比特幣證明歸屬權(quán)的示意圖如下：

從上圖可見(jiàn)，現(xiàn)實(shí)生活中我們用鑰匙打開(kāi)鎖頭，我們用密碼在ATM上提取現(xiàn)金，那么在比特幣系統(tǒng)里，我們通過(guò)秘鑰來(lái)實(shí)現(xiàn)比特幣的轉(zhuǎn)賬，實(shí)現(xiàn)價(jià)值的轉(zhuǎn)移。

更具體來(lái)講，一筆比特幣交易會(huì)把一定數(shù)量的腳本鎖定在一個(gè)地址，聲明擁有這個(gè)地址的用戶會(huì)通過(guò)密匙的簽名來(lái)證明自己擁有這個(gè)地址，然后，花費(fèi)這筆比特幣，這筆比特幣被花費(fèi)后并不會(huì)消失，會(huì)被鎖定在其他人的地址上，其他人可以使用同樣的方法來(lái)花費(fèi)這筆比特幣。

從上面的過(guò)程，我們總結(jié)了兩個(gè)動(dòng)作，鎖定與解鎖，這和我們平時(shí)鎖鎖頭和開(kāi)鎖頭是對(duì)應(yīng)的，在比特幣系統(tǒng)里是通過(guò)鎖定腳本和解鎖腳本來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

1. 鎖定腳本把比特幣關(guān)聯(lián)在一個(gè)比特幣地址上，證明了比特幣歸屬這個(gè)地址。
2. 解鎖腳本提供證明，證明這個(gè)地址歸我所有，這個(gè)比特幣也歸我所有，我可以用來(lái)支付。

下面我們舉一個(gè)例子詳細(xì)說(shuō)明：

用戶Alice在比特幣里地址A上擁有10個(gè)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(gè)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(gè)比特幣被鎖定在Alice的比特幣地址A上，其來(lái)源可能是挖礦所得或者別人轉(zhuǎn)賬而來(lái)，我們會(huì)在后續(xù)詳細(xì)描述如何獲得比特幣，這里我們只關(guān)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(fèi)這個(gè)鎖定腳本，需要的解鎖腳本如下:

具體的解鎖過(guò)程如下：

1. 使用地址A的公匙推導(dǎo)出地址，與地址A對(duì)比，如果一致則證明公匙提供正確，進(jìn)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(qū)塊的哈希散列值一致，則證明解鎖成功，可以花費(fèi)地址上的10個(gè)比特幣。

其實(shí)，鎖定和解鎖腳本是通過(guò)逆波蘭表示法的基于堆棧的腳本實(shí)現(xiàn)的，由于本文篇幅有限，這里不展開(kāi)介紹，會(huì)在后續(xù)的文章中詳細(xì)介紹鎖定和解鎖腳本的原理和流程。

4. 挖礦

上一節(jié)介紹了比特幣使用分布式存儲(chǔ)的區(qū)塊鏈作為記賬系統(tǒng)，也解決了大家關(guān)于如何聲明比特幣的擁有權(quán)，以及把比特幣支付給其他人的過(guò)程。現(xiàn)在我們遇到了新的問(wèn)題，既然區(qū)塊鏈?zhǔn)欠植际降挠涃~系統(tǒng)，每個(gè)參與的節(jié)點(diǎn)都有一份拷貝，那么誰(shuí)來(lái)負(fù)責(zé)把一筆交易記到區(qū)塊鏈呢？

這不得不引入一個(gè)新的概念，就是共識(shí)機(jī)制，比特幣是通過(guò)工作量證明的共識(shí)機(jī)制來(lái)決定記賬權(quán)的，通俗來(lái)講，誰(shuí)證明了自己的工作量最大，誰(shuí)就負(fù)責(zé)記賬。

工作量證明示意圖如下：

工作量大小是通過(guò)計(jì)算符合某一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的比特幣區(qū)塊頭的哈希散列值來(lái)體現(xiàn)的。試圖爭(zhēng)奪記賬權(quán)的節(jié)點(diǎn)稱為挖礦節(jié)點(diǎn)，挖礦節(jié)點(diǎn)會(huì)把網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上發(fā)來(lái)的交易進(jìn)行驗(yàn)證（網(wǎng)絡(luò)傳播機(jī)制會(huì)在下一節(jié)中介紹），驗(yàn)證后會(huì)存入緩沖區(qū)，形成一定的交易存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)（交易使用Merkle樹(shù)存儲(chǔ)，后續(xù)問(wèn)斬各種介紹），放在區(qū)塊體中，然后根據(jù)區(qū)塊的基本信息構(gòu)造區(qū)塊頭，區(qū)塊頭通常包含前一個(gè)區(qū)塊的哈希散列值、Merkle根（后續(xù)文章會(huì)詳細(xì)介紹）、時(shí)間戳、難度目標(biāo)、以及一個(gè)填充的隨機(jī)值。這里面的隨機(jī)值是隨機(jī)產(chǎn)生并且填充的，挖礦過(guò)程就是求出一個(gè)能夠填充本區(qū)塊頭的隨機(jī)值，讓區(qū)塊頭的哈希散列值符合某一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，例如：哈希散列值的前某些位為0，難度目標(biāo)就是用來(lái)表達(dá)哈希散列值標(biāo)準(zhǔn)的難度系數(shù)，可以通過(guò)概率算法計(jì)算出難度值與挖礦成功的可能性。

網(wǎng)絡(luò)上的每一個(gè)礦機(jī)接收并驗(yàn)證了一批交易，然后就開(kāi)始進(jìn)行挖礦，視圖計(jì)算滿足某一難度值的區(qū)塊頭的哈希散列值，如果計(jì)算成功，則挖礦成功，向全網(wǎng)廣播挖礦所得，全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證后，把這個(gè)區(qū)塊連接到區(qū)塊的最上端，并且在全網(wǎng)達(dá)成一致。礦機(jī)需要反復(fù)的試驗(yàn)隨機(jī)填充值來(lái)進(jìn)行求解，一般采用產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)，嘗試把產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)填充到區(qū)塊頭，然后計(jì)算哈希，后續(xù)文章會(huì)介紹礦機(jī)聯(lián)盟，礦機(jī)聯(lián)盟會(huì)把隨機(jī)數(shù)分成多個(gè)小區(qū)間，分配給聯(lián)盟中的成員，共同求解。

除了上面介紹的工作量證明機(jī)制，還有權(quán)益證明、股份制的權(quán)益證明共識(shí)機(jī)制等，后續(xù)我會(huì)在共識(shí)機(jī)制的專題文章中與大家分享。

5. P2P網(wǎng)絡(luò)

前面兩節(jié)介紹了比特幣的賬戶體系和記賬機(jī)制，這節(jié)我們討論比特幣的分布式區(qū)塊鏈賬本是如何在網(wǎng)絡(luò)上傳輸，交易又是如何在網(wǎng)絡(luò)上傳輸并得到驗(yàn)證的。

比特幣網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)都是對(duì)等的，沒(méi)有中心化的服務(wù)器，節(jié)點(diǎn)有不同的類型，不同的類型有不同的職責(zé)，我們會(huì)在將來(lái)的文章中詳細(xì)介紹，這里我們只介紹全節(jié)點(diǎn)，也就是比特幣核心客戶端的工作機(jī)制。

比特幣中的全節(jié)點(diǎn)除了存儲(chǔ)完整區(qū)塊鏈，還具有礦工、錢包、路由節(jié)點(diǎn)等的角色，他們的職責(zé)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(gòu)造的區(qū)塊頭的隨機(jī)字段上填充數(shù)字，來(lái)找到滿足一定標(biāo)準(zhǔn)的哈希散列值，如果找到，把此區(qū)塊連接到區(qū)塊鏈的最上端，并且把合法的區(qū)塊鏈發(fā)送給鄰接節(jié)點(diǎn)。
2. 錢包：區(qū)塊鏈記載了創(chuàng)幣交易和轉(zhuǎn)賬交易，這有別于通常意義的賬戶系統(tǒng)，通常意義的賬戶系統(tǒng)記錄賬戶余額，而區(qū)塊鏈里面只記錄了交易，沒(méi)有余額，錢包就是用來(lái)從區(qū)塊鏈中算出某個(gè)地址擁有區(qū)塊的余額，如果你學(xué)過(guò)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)，你可以把區(qū)塊鏈理解為數(shù)據(jù)庫(kù)的索引，也可以認(rèn)為是一本書(shū)的目錄。
3. 路由節(jié)點(diǎn)：負(fù)責(zé)在去中心化的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中傳遞交易和區(qū)塊，一個(gè)節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建一筆交易，并發(fā)送給相鄰的節(jié)點(diǎn)，相鄰的節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證后，再發(fā)送給相鄰的節(jié)點(diǎn)，很快會(huì)傳遍網(wǎng)絡(luò)。如果一個(gè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)挖礦，找到一個(gè)符合標(biāo)準(zhǔn)的區(qū)塊，這個(gè)節(jié)點(diǎn)也會(huì)用相同的方式傳遞給相鄰節(jié)點(diǎn)，然后相鄰節(jié)點(diǎn)再繼續(xù)傳播下去，讓網(wǎng)絡(luò)的所有節(jié)點(diǎn)都達(dá)成一致。

P2P網(wǎng)絡(luò)傳播的示意圖如下：

我們會(huì)在后續(xù)的文章中詳細(xì)介紹比特幣P2P網(wǎng)絡(luò)的工作機(jī)制，包括節(jié)點(diǎn)分類、節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)、節(jié)點(diǎn)連接和廣播等。

6. 總結(jié)

由于篇幅有限，本文介紹了比特幣的三大基礎(chǔ)概念，包括區(qū)塊鏈、挖礦與P2P網(wǎng)絡(luò)，后續(xù)會(huì)對(duì)比特幣的方方面面進(jìn)行詳細(xì)的說(shuō)明，涉及到如何防止雙重支付、智能合約、區(qū)塊鏈分叉、通縮特性、鎖定和解鎖腳本、交易的Merkle樹(shù)存儲(chǔ)、交易的存儲(chǔ)格式、區(qū)塊鏈被***的概率、挖礦難度與挖礦成功時(shí)間、更多的共識(shí)機(jī)制、創(chuàng)幣交易和轉(zhuǎn)賬交易、比特幣的性能、不同類型的挖礦節(jié)點(diǎn)、以及比特幣的應(yīng)用場(chǎng)景等。

本文來(lái)自于【云時(shí)代架構(gòu)】公眾號(hào)。

作者，李艷鵬，『云時(shí)代架構(gòu)』技術(shù)社區(qū)創(chuàng)始人，著有《分布式服務(wù)架構(gòu)：原理、設(shè)計(jì)與實(shí)戰(zhàn)》與《可伸縮服務(wù)架構(gòu)：框架與中間件》，現(xiàn)任某知名支付平臺(tái)架構(gòu)組負(fù)責(zé)人，曾經(jīng)在花旗銀行、甲骨文、路透社、新浪微博等大型IT互聯(lián)網(wǎng)公司擔(dān)任技術(shù)負(fù)責(zé)人和架構(gòu)師的工作，現(xiàn)專注大規(guī)模高并發(fā)的線上和線下支付平臺(tái)的應(yīng)用架構(gòu)和技術(shù)架構(gòu)的規(guī)劃與落地，負(fù)責(zé)交易、支付、渠道、出款、風(fēng)控、對(duì)賬等核心支付系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，在移動(dòng)支付、聚合支付、合規(guī)賬戶、掃碼支付、標(biāo)記化支付等業(yè)務(wù)場(chǎng)景上有產(chǎn)品應(yīng)用架構(gòu)規(guī)劃與落地的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。