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比特幣介紹

歷史

比特幣(bitcoin)由中本聰于2009年提出并開源。它具有分布式、去中心化、加密數字化等特點，采用工作量證明機制解決共識問題，所以，它又是安全的。
它誕生與全球經濟危機（2008年）時期，是奧地利經濟學派觀點的實踐。

比特幣定義

通常所說的比特幣指的是一種加密數字貨幣，由比特幣網絡發行（實際是給礦工的獎勵）、并在比特幣網絡上流通。數字簽名是目前數字貨幣的首選方案，其可以有效驗證貨幣所有權。對于雙清問題，比特幣采用工作量證明機制解決雙清問題。

交易

交易是參與者之間價值轉移的過程。
比特幣交易的基礎單元是交易輸出。未被使用的輸出被稱為UTXO。一個UTXO是最小的不可分割的。一個UTXO是一聰(satoshi)的任意整數倍。

密鑰及比特幣地址

比特幣采用公鑰加密方案對交易進行簽名，算法為橢圓曲線乘法算法。交易通常會包含一個公鑰、數字簽名和地址。

私鑰、公鑰、比特幣地址三者間關系，如下圖：

[圖片上傳失敗...(image-31ce69-1520689362124)]

私鑰

比特幣對私鑰并沒有強制規定。用戶可以自行選擇私鑰。私鑰目前是一個256位的數字，通常從一個安全的隨機數序列中產生。加密安全的偽隨機數生成器推薦使用CSPRNG。生成一個私鑰的通常流程為：選擇隨機數生成器->選擇隨機數種子->生成一個隨機數->SHA256哈希算法生成256位的數。

使用比特幣客戶端生成私鑰的方法如下：

$ bitcoin-cli getnewaddress
1J7mdg5rbQyUHENYdx39WVWK7fsLpEoXZy
$ bitcoin-cli dumpprivkey 1J7mdg5rbQyUHENYdx39WVWK7fsLpEoXZy
KxFC1jmwwCoACiCAWZ3eXa96mBM6tb3TYzGmf6YwgdGWZgawvrtJ

或者使用bitcoin explorer的cli工具:

$ bx seed | bx ec-new | bx ec-to-wif
5J3mBbAH58CpQ3Y5RNJpUKPE62SQ5tfcvU2JpbnkeyhfsYB1Jcn

比特幣私鑰通常使用WIF(Wallet Import Format)顯示私鑰。

公鑰

Public Key是從私鑰計算而來的，計算方法采用橢圓曲線密碼學的第二個標準secp256k1。

生成公式：

K = k * G

k為私鑰。K為生成的公鑰。G為預定義的點（被稱為generator point G）。k * G生成曲線上的另外一個點，該點即為公鑰K。

比特幣地址

根據公鑰生成的比特幣地址以數字1開頭。生成公式為：

A = RIPEMD160(SHA256(K))

上述公式生成的地址A為160位，共20個字節。比特幣通常使用Base58Check編碼格式編碼比特幣地址A。

Base58的詳情信息參見鏈接。

Base58Check的過程如下：

Bitcoin Address = PREFIX + A + Checksum

checksum = sha256(sha256(PREFIX + A)

prefix定義

私鑰的編碼格式

密鑰和地址強化

加密密鑰

BIP-38標準是一個通用的私鑰加密標準。它使用AES加密算法。用戶需要提供私鑰和一個passphrase。BIP-38標準生成的私鑰以6P開頭。

P2SH和多簽名地址

P2SH全稱為Pay-to-Script Hash，又稱為Multisig Addresses（多重簽名地址），地址前輟為3。目前，最為普遍的P2SH功能應用是多簽名地址腳本。這種腳本要求用戶提供一到多個簽名來證明控制權(Ownership)，然后才可以花費這筆資金。

生成P2SH地址的過程一般如下：

graph LR
    A[script]-->B(script-encode)
    B --> C(sha256)
    C --> D(ripemd160)
    D --> E(base58check-encode)

代碼示例如下

$ echo \
'DUP HASH160 [89abcdefabbaabbaabbaabbaabbaabbaabbaabba] EQUALVERIFY CHECKSIG' > script
$ bx script-encode < script | bx sha256 | bx ripemd160 \
| bx base58check-encode --version 5
3F6i6kwkevjR7AsAd4te2YB2zZyASEm1HM

靚號地址(Vanity Addresses)

靚號地址是一個有效的比特幣地址，它含有一部分有意義的信息。如地址1LoveBPzzD72PUXLzCkYAtGFYmK5vYNR33。該地址包含詞"Love"。

紙錢包

所謂紙錢包就是把私鑰和地址打印一張紙上。這是一種廉價的離線存儲手段。離線存儲的錢包也叫冷錢包。直接將私鑰原樣做成紙錢包并不安全（盜賊）。通常，冷存儲的是BIP-38加密過的私鑰。這就要求用戶要記住一個passphrase或將passphrase另行存儲。

錢包

錢包(wallet)是一個應用程序，用于管理密鑰、地址，跟蹤余額以及簽名交易。
從技術的角度來看，錢包是一種數據結構，用于存儲和管理用戶的密鑰。

小提示：比特幣錢包并不含有比特幣，他只包含密鑰。所謂的幣是記錄在比特幣網絡的區塊鏈里的，'幣'是交易輸出的一種形式（通常稱為vout或txout）。

錢包有兩種類型：非確定性錢包和確定性錢包。區分的標準是密鑰間是否有關聯。

非確定性錢包里的密鑰們沒有相關性，是獨立的。

確定性錢包里的密鑰由一個主私鑰衍生而來（被稱為seed，即種子）。最常見的實現方式是一種類樹狀結構，被稱為分層確定性錢包（HD wallet），標準為BIP-32/BIP-44。

確定性錢包從一個種子初始化而來。為便于使用，種子通常編碼為英文單詞，又稱助記碼（Mnemonic Codes，標準為BIP-39）。

現在，基本上都是HD錢包了，除了Bitcoin core。

錢包最佳實踐

• 基于BIP-39的助記碼
• 基于BIP-32的HD錢包
• 基于BIP-43的多用途HD錢包
• 基于BIP-44的多幣種、多帳號錢包

助記符(BIP-39)

BIP-39是助記碼的當前工業標準。它是Trezor硬件錢包公司提出的。目前，BIP-39有兩個實現版本：Trezor版本和Electrum錢包。兩者因為使用不同的詞典集合而不能互通。

助記符生成示例如下

$bx mnemonic-new ea3138a05e18f4f68f345a40b0e4e264
tuition mean chimney rotate monster kitten devote mercy doll mango decade since

交易

交易是比特幣系統最重要的部分。系統的其他部分都是為了保證交易的創建、驗證以及記入全球帳薄。

交易輸出和輸入

比特幣交易的基石是交易輸出(vout)。交易輸出是不可分割的比特幣貨幣（類似于有面額的紙幣），記錄在區塊鏈上并由全網絡驗證有效。比特幣全節點跟蹤所有的可用、可花費的輸出，這些輸出被稱為UTXO(未花費的交易輸出)。

原始的交易解碼后，一般是下面樣子：

{
  "version": 1,
  "locktime": 0,
  "vin": [
    {
      "txid": "7957a35fe64f80d234d76d83a2a8f1a0d8149a41d81de548f0a65a8a999f6f18",
      "vout": 0,
      "scriptSig" : "3045022100884d142d86652a3f47ba4746ec719bbfbd040a570b1deccbb6498c75c4ae24cb02204b9f039ff08df09cbe9f6addac960298cad530a863ea8f53982c09db8f6e3813[ALL] 0484ecc0d46f1918b30928fa0e4ed99f16a0fb4fde0735e7ade8416ab9fe423cc5412336376789d172787ec3457eee41c04f4938de5cc17b4a10fa336a8d752adf",
      "sequence": 4294967295
    }
  ],
  "vout": [
    {
      "value": 0.01500000,
      "scriptPubKey": "OP_DUP OP_HASH160 ab68025513c3dbd2f7b92a94e0581f5d50f654e7 OP_EQUALVERIFY OP_CHECKSIG"
    },
    {
      "value": 0.08450000,
      "scriptPubKey": "OP_DUP OP_HASH160 7f9b1a7fb68d60c536c2fd8aeaa53a8f3cc025a8 OP_EQUALVERIFY OP_CHECKSIG",
    }
  ]
}

每一個區塊的第一個交易被稱為coinbase交易，即比特幣網絡給礦工的獎勵。所以，coinbase交易是沒有input的。

交易輸出

交易輸出包括兩部分：

• 一定量的比特幣，單位是聰（satoshis）
• 一個加密迷題（花費該UTXO的必要條件）,又被稱為鎖定腳本(locking script)、見證腳本(witness script)或scriptPubKey。

輸出的序列化結構（開發人員關注）

交易輸入

交易輸入標識哪個UTXO將被消費（花出）并通過unlocking script證明其所有權。

其主要包含如下幾部分：

• 一個交易id, txid
• 一個UTXO的索引(從0開始)
• 一個scriptSig，用于unlocking花費
• 一個序列號

示例如下:

"vin": [
  {
    "txid": "7957a35fe64f80d234d76d83a2a8f1a0d8149a41d81de548f0a65a8a999f6f18",
    "vout": 0,
    "scriptSig" : "3045022100884d142d86652a3f47ba4746ec719bbfbd040a570b1deccbb6498c75c4ae24cb02204b9f039ff08df09cbe9f6addac960298cad530a863ea8f53982c09db8f6e3813[ALL] 0484ecc0d46f1918b30928fa0e4ed99f16a0fb4fde0735e7ade8416ab9fe423cc5412336376789d172787ec3457eee41c04f4938de5cc17b4a10fa336a8d752adf",
    "sequence": 4294967295
  }
]

交易費

大部分交易是包含交易費的。交易費用于激勵礦工維護比特幣網絡。交易費用是隱含在交易中的，其數值為Fees = Sum(Inputs) – Sum(Outputs)。

交易腳本

比特幣的交易腳本(script)是一種類似于Forth語言的、逆波蘭式、基于堆棧的語言。

比特幣的腳本語言不是圖靈完備的，不支持loop操作

比特幣腳本語言是無狀態的

比特幣腳本語言簡單，但并不友好。看起來，像是匯編語言

腳本構建

比特幣交易驗證引擎依賴于兩種腳本：一個鎖定腳本和一個解鎖腳本。

鎖定腳本通常稱為scriptPubKey。解鎖腳本通常稱為scriptSig。

交易驗證時，引擎執行流程是：scriptSig -> scriptPubKey。

示例如下：

[圖片上傳失敗...(image-ec046-1520689362124)]

具體執行流程如下：
[圖片上傳失敗...(image-ec5c92-1520689362124)]

數字簽名

比特幣使用的數字簽名算法為ECDSA。該算法是一種公鑰加密算法。

數字簽名有三個作用：

• 所有權證明
• 授權是不可否認的（即交易一旦生成，不可否認）
• 一旦簽名，則交易不可修改（或特定部分不可修改）

高級交易和腳本

隔離見證的核心部分

比特幣網絡

區塊鏈

區塊鏈數據結構是一種后向鏈接的有序鏈表。比特幣客戶端使用Google LevelDB存儲區塊鏈的元數據。

Block數據結構

Block Structure

區塊頭(Block Header)

區塊標識 (Block Identifier)

Block的標識是一個哈希值(Hash)，使用sha256算法對區塊頭（Block Header）執行兩次哈希操作而來。

創世區塊的哈希值是：000000000019d6689c085ae165831e934ff763ae46a2a6c172b3f1b60a8ce26f

區塊的Hash值并沒有存儲在區塊上。當節點收到一個區塊時，節點需要去計算該節點的Hash。

另一種標識則是區塊高度（block height）。創世區塊從0開始。一個區塊一定有一個高度。但一個高度并不唯一對應一個區塊。這涉及到區塊競爭問題。常見場景是forks（即分叉）。Block Height也不是區塊數據結構的一部分。節點需要在收到區塊時計算。

創世區塊(Genesis Block)

比特幣區塊鏈上的第一個區塊被稱為創世區塊，創建于2009年。它是所有區塊的祖宗。創世區塊的UTXO是50BTC，至今未花。創世區塊上寫有一條信息（已經是非常出名了）："The Times 03/Jan/2009 Chancellor on brink of second bailout for banks."。

Merkle Tree

每一個區塊均使用Merkle Tree記錄該區塊上所有交易的摘要。Merkle Tree生成過程如下圖所示。
[圖片上傳失敗...(image-79a62-1520689362124)]

區塊上存儲Merkle Tree Root節點的hash。每個節點的hash算法均為double-sha256。

SPV (Simplifiled Payment Verification)

SPV節點不需要全部的交易數據也不需要下載全部區塊，只需要區塊頭數據即可。SPV節點使用merkle path來驗證一個節點是否被包含在該區塊內。

SPV節點驗證交易A被包含于區塊Block_b的基本過程如下：

1. SPV節點向向周邊節點(peers)廣播其感興趣的交易（以bloom filter形式）
2. 當一個peer節點發現一條交易包含在bloom filter中，該節點則返回該區塊（區塊頭和一條merkle path）
3. SPV節點使用merkle path驗證交易A是否在Block_b中

merkle path如下圖所示：
[圖片上傳失敗...(image-26d469-1520689362124)]

如果要驗證交易Hk是否包含在區塊內，只需要獲知H(L), H(IJ), H(MNOP),H(ABCDEFGH)這四個哈希值即可。

Merkle Tree的效率

比特幣測試鏈(Test Blockchains)

比特幣是有多條鏈的。由中本聰同學創建于2009年1月3日的區塊鏈為主網絡(mainnet)。還有其他測試目的的區塊鏈：testnet(測試網絡), segnet(隔離見證網絡), regtest。

• testnet

testnet擁有主網絡的所有特征。通常，testnet網絡上的幣是沒有價值的（因為其挖礦難度比較低），但事實并非如此。因為總是有玩家使用asic來挖礦，從而導致測試網絡挖幣也是一件困難的事情。目前的解決方案是從一個新的創世區塊重啟測試網絡，并重設難度。

目前的測試網絡為testnet3（重啟于2011年）。

bitcoind -testnet

• segnet

2016年，為了支持SegNet的開發測試，一個特定目的的測試網絡啟動。（目前已不再是必須的，因為segwit已經被testnet3引入）

• Regtest

本地區塊鏈

$ bitcoind -regtest

挖礦和共識

挖礦是確保比特幣去中心化安全性的機制。比特幣是一種經濟激勵機制。

礦工負責驗證新的交易并記錄在全球帳薄上。挖出一個新區塊的平均時間是10分鐘。而記錄在區塊鏈上的交易則被認為是確認過的。

比特幣的確認時間目前比較長，一個小時之上。

礦工有兩種獎勵：交易費和區塊獎勵。為了獲得獎勵，礦工需要解決一個數學難題。比特幣采用PoW方案來解決這個難題（工作量證明-Proof-of-Work）。答案被記錄在新區塊中并作為一個憑據。該憑據可以證明礦工花費了一定的算力來解決這個問題。

這個過程稱為挖礦，因為獎勵（比特幣發生成）旨在模擬收益遞減，就像開采貴金屬一樣。比特幣總量固定而且區塊生成的比特幣每四年或210000個區塊減半。2009年一個區塊獎勵是50個比特幣，2012年11月為25個比特幣，2016年7月則為12.5個。到2140年，不會再有新的比特幣生成。

目前，交易費只占礦工收入的0.5%。而隨著獎勵指數級下降，區塊上的交易日漸增多，比特幣礦業收入的更大比例將來自交易費用。

從發行上來看，比特幣是具有通縮特性的。