比特币技术原理

比特币的兴起

1.以物易物

2.实物货币

3.符号货币

4.中央系统虚拟货币

5.分布式虚拟货币

比特币原理

三大核心问题

问题1——记账必要性

问题2——以谁为准

问题3——如何防伪

RSA算法

数字签名

比特币的优缺点

优点：

缺点

参考链接

PPT：

比特币技术介绍PPT(xinanzhijia.xyz.)

比特币的兴起

比特币的兴起源于2008.11.01一篇极客的论文，至今作者没有公布身份。论文中提出了一种去中心化货币的概念——Bitcoin。

这个想法在当时金融危机的背景下堪称疯狂，然而在无数爱好者和有识之士的支持下如今成为了现实。不光比特币的交易呈现爆炸式增长，也激发了几千种虚拟货币的诞生:

那么我们为什么要进行去中心化呢？这不得不从头开始讲起。

1.以物易物

很久很久以前的农村，人们过着以物易物的生活。

2.实物货币

由于这样存在价值彼此不认可的问题，我们统一规定物价，使用一些稀有且容易分割的东西作为货币进行交易，例如黄金或者贝壳等。

3.符号货币

目前也还有一个问题，货币本身携带不便，还有磨损等诸多问题，并且采集货币，如炼金、收集贝壳等等耗费了许多财力物力。这时有人提出了解决办法，我们未必要拿着真的黄金交易，可以找可靠机关（例如村委会）发行一些带有”一克黄金”的纸币，纸币上带有专门的防伪标志，大家用纸币交易。

4.中央系统虚拟货币

刚刚的问题显然治标不治本，贪婪的人类感觉携带纸币交易也是太麻烦了，因此又有人提出了改进办法。我们未必要真的带着货币交易。比如目前找可靠机关，统计所有村民的余额，以后交易直接跟这个可靠机关报备即可。这个可靠机关负责记录每一笔交易，计算所有人余额，大家都信任这个“可靠机关”。

5.分布式虚拟货币

然而好景不长，大家都信任的这个“可靠机关”出现了贪腐问题，导致整个中央系统虚拟货币系统轰然倒塌，然而人们已经完全习惯了不带现金交易的生活模式，这该怎么办呢……

这时，极客中本聪华丽登场。

比特币原理

我们模拟一次交易，可以抽象成如下账本的形式：

付款方	付款金额	收款方
Alice	10BTC	Bob
Bob	5BTC	Cici
Cici	2BTC	David

每个人都要进行记账，我们使用区块存储交易记录。每个区块大小为1M，能存储约4000条交易记录。把这个区块连接到前面的区块，就形成了区块链。

Pre Hash：前一个区块的哈希值。
Nonce：使得区块的哈希值满足要求的数值，即挖矿计算的结果。
Transaction Data：区块中的交易数据。

三大核心问题

为什么要记账？
以谁为准？（网络延迟）
如何防伪？

问题1——记账必要性

为什么要记账呢？因为记账有奖励。所有的比特币最终来源都是记账，即挖矿。并且记录交易还有一定量的手续费（远小于目前银行手续费）。比特币交易系统期望每10min要打包一个交易块，在2008年创世纪块出现后，每打包一个块可以获得50个比特币，后每4年减半。这样算下来：

$50 \times 6 \times 24 \times 365 \times 4 \times(1+\frac{1}{2}+...+\frac{1}{2^n}) \approx 2100w$

比特币最终会发行2100万枚。

问题2——以谁为准

想解释清楚这个问题，不得不了解挖矿的原理。首先介绍一个这样的函数：sha256()，使用链接

Hash函数

sha256()是一种哈希算法，他可以将任何字符串转化为256bit的哈希值，算法有如下关键特点：

1.不可逆性

哈希函数具有不可逆性，具体的不可逆性可以类比成：

$y=x^8+log_6x+sin(x)+cot(x)$

给出一个x，可以轻松算出y；但给出y反算x，这将是灾难。

2.小变化大改变

import hashlib

message = "Hello, world!" # 待计算哈希值的消息
message2 = "Hello, w0rld!"
hash_object = hashlib.sha256(message.encode('utf-8'))
# 获取哈希值（以16进制表示）
hex_dig = hash_object.hexdigest()

print(hex_dig)  # b94d27b9934d3e08a52e52d7da7dabfac484efe37a5380ee9088f7ace2efcde9
print(hex_dig2) # 3FBE0E7AA29A4A4071A2DD78E2A02AD6209D23CEC2F861BE75D24B72462D911B

可以看出，略微的输入变化，哈希值就会出现巨大变化。

3.抗碰撞性

在哈希函数设计合理的情况下，两个不同值计算后产生同样哈希值的概率，微乎其微。

挖矿过程

矿工首先获得交易记录，记录达到一定数量后开始计算一个字符串。这个字符串由：区块头+账单+开始时间+随机数组成。

接着，计算Hash=sha256(sha256(字符串))，然而，计算出的结果Hash必须前n位都为0才算成功。

由于字符串的前三部分都不能随意变化，并且哈希函数不能反算，所以我们只能反复试验随机数，直到算出满足前n位都为0的字符串，这时我们就算挖矿成功。由于哈希值受到前面三项的影响，所以挖矿一定程度上跟运气有关，但更重要的是依靠算力找到对应的随机数。

同样我们不难看出，n的取值越大，挖矿就越难。为了保证矿工们能够10分钟打包一个块，但打包过程又不那么轻松，目前设定n=66

总的比特币挖矿流程图如下：

综上我们可以得出，所有的交易以矿工打包后的区块为准。

问题3——如何防伪

防伪基于非对称加密的数字签名。最常见的非对称加密即为RSA算法。

RSA算法

算法的加密解密过程如下：

选择一对不相等的大质数，记作p、q
计算 $N = p \times q$
计算 $\phi(N) = (p-1)\times(q-1)$
选择一个与 $\phi(N)$ 互质的整数e
计算出e对于φ(N)的模反元素d
公钥 KU = (e,N) ，私钥KR = (d,N) 注意这括号不是最大公约数，而是表达形式。

例题如下：

取p=3、q=11;
$N=p \times q = 33$
$\phi(N) = (p-1)(q-1) = 20$
选择一个与\phi(N)互素的数，我们选择e=3
找到一个d使得 $ed \equiv 1 \mod \phi(N)$ ，解得 $d \equiv 7 \mod 20$
公钥KU = (e,n) = (3,33) ，私钥KR = (d,n) = (7,33)

假如明文M=20，加密即为 $20^3 \mod 33 = 14$ ，解密即为 $14^7 \mod 33 = 20$

数字签名

比特币交易过程中数字签名的操作流程如下：

首先A注册比特币账号，获得自己的公私钥对。A将自己的交易信息进行哈希运算获得摘要，用自己的密钥加密摘要获得一份密文。

之后A向互联网广播一组信息，请求大家认证这份消息：交易信息+自己的公钥+加密的密文。

其他用户首先将交易信息进行Hash运算获得摘要1，接着用A的公钥解密密文，获得解密的明文摘要2。如果摘要1和摘要2相同，则交易属实。因为如果想伪造一条广播信息，我们无法制造一份密文，使得他解密的结果是伪造的交易信息，因为哈希函数是无法反算的；同样的道理，这份信息也只能是A发出的，因为只有A有自己的私钥能够制造出这份密文。

比特币的优缺点

优点：

去中心化：比特币不受任何中央机构或政府监管，由网络中的节点来维护和验证交易。
保护隐私：比特币使用公开密钥加密技术，可以保护用户的信息和隐私。
可追溯性：所有比特币交易都被记录在区块链上，可以追踪其交易历史。
通货膨胀率低：比特币的总量被限定在2100万个左右，因此通货膨胀率很低，具有一定的保值功能。

缺点

安全性问题：比特币被盗、遗失或黑客攻击的风险仍然存在，需要用户自己保管好比特币私钥。
交易速度有限：比特币交易需要被打包进块，并等待6个块后才能确保交易成功。每10分钟打包4000条交易记录，每秒钟只能完成约7次交易。目前为了解决这个问题，比特币推出一个新协议，希望将区块从1M变为8M，目前协议还在推动中。

参考链接

CodingLabs - 一个故事告诉你比特币的原理及运作机制

https://coinmarketcap.com/zh/rankings/exchanges/

https://assets.pubpub.org/d8wct41f/31611263538139.pdf

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