比特幣（bitcoin）誕生於2008年的一篇論文。
一個署名為中本聰的人，提出了革命性的構想：讓我們創造一種不受政府或其他任何人控制的貨幣！這個想法堪稱瘋狂：一串數字，背後沒有任何資產支援，也沒有任何人負責，你把它當作錢付給對方，怎麼會有人願意接受？
但是，狂想居然變成了現實。隨後的幾年，在全世界無數愛好者的支援下，比特幣網路執行起來了，越來越多的人和資本參與，星星之火，終成燎原。剛剛過去的2017年，比特幣迎來了爆發式的增長，從年初的1000美元，最高漲到了2萬美元，全世界都為之震動，上到政府，下到普通百姓都在關注。事實就是比特幣已經並將繼續改變世界。
新聞媒體往往只關注它的火爆表現，忽視或者無法回答一些基本的問題。
- 比特幣的原理是什麼？
- 為什麼這個無人管理的體系可以成功運作？
- 比特幣交易的流程是怎麼回事？
- 它與區塊鏈又是什麼關係？
下面，我嘗試回答這些問題，希望幫助大家理解比特幣。拋開技術細節，還是很容易解釋的。
有一點說明，本文只討論技術問題，不涉及如何投資比特幣，更不會預測價格走勢。事實上，我也不知道，如果我知道怎麼發財，可能就不會在這裡寫部落格了。
一、非對稱加密
首先，理解比特幣，必須理解非對稱加密。
你可能聽說過這個詞，所謂非對稱加密，其實很簡單，就是加密和解密需要兩把鑰匙：一把公鑰和一把私鑰。
公鑰是公開的，任何人都可以獲取。私鑰是保密的，只有擁有者才能使用。他人使用你的公鑰加密資訊，然後傳送給你，你用私鑰解密，取出資訊。反過來，你也可以用私鑰加密資訊，別人用你的公鑰解開，從而證明這個資訊確實是你發出的，且未被篡改，這叫做數字簽名（更詳細的介紹請看《什麼是數字簽名》）。
現在請設想，如果公鑰加密的不是普通的資訊，而是加密了一筆錢，傳送給你，這會怎樣？
首先，你能解開加密包，取出裡面的錢，因為私鑰在你手裡。其次，別人偷不走這筆錢，因為他們沒有你的私鑰。因此，支付可以成功。
這就是比特幣（以及其他數字貨幣）的原理：非對稱加密保證了支付的可靠性。
由於支付的錢必須透過私鑰取出，所以你是誰並不重要，重要的是誰擁有私鑰。只有擁有了私鑰，才能取出支付給你的錢。（事實上，真實的交易流程稍有不同，私鑰保證的不是取出支付給你的錢，而是保證只有你能把這些屬於你的錢支付出去，詳見後文。）
二、比特幣錢包
對於比特幣來說，錢不是支付給個人的，而是支付給某一把私鑰。這就是交易匿名性的根本原因，因為沒有人知道，那些私鑰背後的主人是誰。
所以，比特幣交易的第一件事，就是你必須擁有自己的公鑰和私鑰。
你去網上那些比特幣交易所開戶，它們會讓你首先生成一個比特幣錢包（wallet）。這個錢包不是用來存放比特幣，而是存放你的公鑰和私鑰。軟體會幫你生成這兩把鑰匙，然後放在錢包裡面。
根據協議，公鑰的長度是512位。這個長度不太方便傳播，因此協議又規定，要為公鑰生成一個160位的指紋。所謂指紋，就是一個比較短的、易於傳播的雜湊值。160位是二進位制，寫成十六進位制，大約是26到35個字元，比如 1BvBMSEYstWetqTFn5Au4m4GFg7xJaNVN2。這個字串就叫做錢包的地址，它是唯一的，即每個錢包的地址肯定都是不一樣的。
你向別人收錢時，只要告訴對方你的錢包地址即可，對方向這個地址付款。由於你是這個地址的擁有者，所以你會收到這筆錢。
由於你是否擁有某個錢包地址，是由私鑰證明的（具體的證明方法稍後介紹），所以一定要保護好私鑰。這是極其重要的，如果你的私鑰被偷了，你的比特幣也就等於沒了，因為他人可以冒用你的身份了，把錢包裡面的錢都轉走。
同樣的，你向他人支付比特幣，千萬不能寫錯他人的錢包地址，否則你的比特幣就支付到了另一個不同的人了。
三、交易過程
下面，我把整個流程串起來，看看比特幣如何完成一筆交易。
一筆交易就是一個地址的比特幣，轉移到另一個地址。由於比特幣的交易記錄全部都是公開的，哪個地址擁有多少比特幣，都是可以查到的。因此，支付方是否擁有足夠的比特幣，完成這筆交易，這是可以輕易驗證的。
問題出在怎麼防止其他人，冒用你的名義申報交易。舉例來說，有人申報了一筆交易：地址 A 向地址 B 支付10個比特幣。我怎麼知道這個申報是真的，申報人就是地址 A 的主人？
比特幣協議規定，申報交易的時候，除了交易金額，轉出比特幣的一方還必須提供以下資料。
- 上一筆交易的 Hash（你從哪裡得到這些比特幣）
- 本次交易雙方的地址
- 支付方的公鑰
- 支付方的私鑰生成的數字簽名
驗證這筆交易是否屬實，需要三步。
第一步，找到上一筆交易，確認支付方的比特幣來源。
第二步，算出支付方公鑰的指紋，確認與支付方的地址一致，從而保證公鑰屬實。
第三步，使用公鑰去解開數字簽名，保證私鑰屬實。
經過上面三步，就可以認定這筆交易是真實的。
四、交易確認與區塊鏈
確認交易的真實性以後，交易還不算完成。交易資料必須寫入資料庫，才算成立，對方才能真正收到錢。
比特幣使用的是一種特殊的資料庫，叫做區塊鏈（blockchain），詳細的介紹請看《區塊鏈入門教程》。本文只討論交易如何寫入區塊鏈。
首先，所有的交易資料都會傳送到礦工那裡。礦工負責把這些交易寫入區塊鏈。
根據比特幣協議，一個區塊的大小最大是 1MB，而一筆交易大概是500位元組左右，因此一個區塊最多可以包含2000多筆交易。礦工負責把這2000多筆交易打包在一起，組成一個區塊，然後計算這個區塊的雜湊。
計算雜湊的過程叫做採礦，這需要大量的計算。礦工之間也在競爭，誰先算出雜湊，誰就能第一個新增新區塊進入區塊鏈，從而享受這個區塊的全部收益，而其他礦工將一無所獲。
一筆交易一旦寫入了區塊鏈，就無法反悔了。這裡需要建立一個觀念：比特幣不存放在錢包或其他別的地方，而是隻存在於區塊鏈上面。區塊鏈記載了你參與的每一筆交易，你得到過多少比特幣，你又支付了多少比特幣，因此可以算出來你擁有多少資產。
五、礦工的收益
交易的確認離不開礦工。為什麼有人願意做礦工呢？
比特幣協議規定，挖到新區塊的礦工將獲得獎勵，一開始（2008年）是50個比特幣，然後每4年減半，目前（2018年）是12.5個比特幣。這也是比特幣的供給增加機制，流通中新增的比特幣都是這樣誕生的。
你可能看出來了，每4年獎勵減半，由於比特幣可以分割到小數點後八位，那麼到了2140年，礦工將得不到任何獎勵，比特幣的數量也將停止增加。這時，礦工的收益就完全依靠交易手續費了。
所謂交易手續費，就是礦工可以從每筆交易抽成，具體的金額由支付方自願決定。你完全可以一毛不拔，一分錢也不給礦工，但是那樣的話，你的交易就會沒人處理，遲遲無法寫入區塊鏈，得到確認。礦工們總是優先處理手續費最高的交易。
目前由於交易數量猛增，手續費已經水漲船高，一個區塊2000多筆交易的手續費總額可以達到3～10個比特幣。如果你的手續費給低了，很可能過了一個星期，交易還沒確認。
一個區塊的獎勵金12.5個比特幣，再加上手續費，收益是相當可觀的。按照目前的價格，可以達到100萬～200萬人民幣。想想看，運氣好的話，幾分鐘就能挖到一個區塊，拿到這樣一大筆錢，怪不得人們對挖礦趨之若鶩。
六、區塊的擴容
《區塊鏈入門教程》說過，比特幣協議規定，平均10分鐘誕生一個區塊。區塊的大小隻有 1MB，最多隻能包含2000多筆交易。也就是說，比特幣網路每10分鐘，最多隻能處理2000多筆交易，換算一下，就是處理速度為3～5筆/秒。
全世界的比特幣交易這麼多，可是區塊鏈每秒最多隻能處理5筆，這已經成為制約比特幣發展的一個瓶頸。
很早就有人呼籲，改革比特幣協議，提升處理速度。這件事在2017年8月有了一點眉目，當時區塊鏈發生了一次分叉，誕生了一個新協議，稱為 Bitcoin Cash（簡稱 BCH）。這種新貨幣其他方面都與比特幣一致，就是每個區塊的大小從 1MB 增加到了 8MB，因此處理速度提升了8倍，手續費也低得多。該協議是對原有區塊鏈的分叉，因此當時持有比特幣的人，等於一人獲贈了一份同樣數量的 BCH。
BCH 等於創造了一種新貨幣，還有人提議，原始比特幣的區塊大小提升到 2MB，這稱為 SegWit2x 。這個建議原定於2017年11月實施，但是最後一刻由於缺乏共識，就被取消了，目前還在討論中。
七、點對點網路
比特幣是一個全世界的開放網路，只要你有伺服器，就能加入這個網路，成為一個節點。每個節點都包含了整個區塊鏈（目前大概 100多 GB），並且節點之間時刻不停地在同步資訊。
當你發生了一筆支付，你所在的節點就會把這筆交易告訴另一個節點，直至傳遍整個網路。礦工從網上收集各種新發生的交易，將它們打包寫入區塊鏈。一旦寫入成功， 礦工所在節點的區塊鏈，就成為最新版本，其他節點都會來複制新增的區塊，保證全網的區塊鏈都是一致的。
最後，你所在的節點也拿到了最新的區塊鏈，從而得知你早先的那筆交易，已經寫在裡面了，至此交易確認成功。
八、還有一個問題
寫到這裡，我就介紹完了比特幣的基本知識，希望你已經明白了比特幣是怎麼回事。但是還有一個根本的問題，我沒有回答：比特幣的本質到底是什麼？
說到底，比特幣只是區塊鏈的一條記錄，是憑空生成的，為什麼可以當錢用？舉例來說，礦工獲得12.5個比特幣的獎勵，其實就是區塊鏈有一個記錄："xxx地址獲得12.5個比特幣"。正是這行記錄，導致該礦工獲得了大筆金錢。如果區塊鏈突然增加了一條記錄，記載你的地址獲得了1000個比特幣，你就真的會有1000個比特幣。這到底是為什麼？
這篇文章已經夠長了，這個問題就留到下次再談，歡迎關注本系列的最後一篇文章《加密貨幣的本質》。
九、參考連結
- How Bitcoin works , by Timothy B. Lee
- Bitcoins the hard way: Using the raw Bitcoin protocol, by Ken Shirriff
（完）