比特幣的技術原理分析
網際網路的精髓就是共享，可以共享技術、共享經驗、共享情感、共享快樂~
很多年前就有這個想法了，從事IT行業時間也不短了，應該把自己工作和業餘所學習的東西記錄並分享出來，和有緣人一起學習和交流。
如果您是那個有緣人，請上島一敘！爪哇島隨時歡迎您！
最近這段時間，虛擬貨幣頻頻衝上熱搜，比特幣、以太坊、狗狗幣各種技術名詞層出不窮，搞得大家眼花繚亂。正所謂 “內行看門道，外行看熱鬧”，所以今天我們們不再吃瓜看熱鬧，也來數字貨幣裡面的門道（技術支撐）。
一、比特幣的由來
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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！**
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。
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。
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下面我嘗試幫助大家理解比特幣，拋開技術細節，還是很容易解釋的。
二、非對稱加密
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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。
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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。
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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 **。
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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 **。
- 由於支付的錢必須通過私鑰取出，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）
三、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，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。
四、交易 & 區塊鏈
- 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 **。
- 怎麼防止其他人，冒用你的名義申報交易： 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
- 而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。
- 確認交易的真實性後，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）
- 比特幣是如何寫入資料庫的呢？
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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 **。
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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） **。
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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。
- 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。
- 為什麼有人肯做礦工呢？順便談談礦工的收益：
- 比特幣協議規定，挖到新區塊的礦工將獲得獎勵，一開始是50個比特幣，然後每4年減半，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，就是礦工從每筆交易中拿到的抽成，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。
五、區塊的擴容 & 點對點網路
- 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。
- 如何提升處理速度呢？2017年8月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。
- 比特幣網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。
七、總結
比特幣的基本知識，就介紹完了，希望你已經明白了比特幣是怎麼回事。