图1比特币交易过程 交易 交易 B的公钥 C的公钥 D的公钥 散列 散列 散列 A的数字签名 B的数字签名 C的数字签名 B的私钥 C的私钥 D的私钥 资料来源: Nakamoto(2008),笔者进行了一定修改。 上述过程略显复杂。我们可以换一种不太精确但更容易理解的解释(姚勇,2013)。 依然以交易1为例,交易单1中其实包含以下六种信息:一是交易单1的ID:二是 资金的来源,即交易单0的ID:三是A对资金的签名,以证明是他把100BTC给B 的;四是资金的去向,即C的账号(公钥):五是资金的数额,即100BIC:六是B 的签名(即B用自己私钥进行的数字签名),以证明是他自己签发的交易。由于每笔 交易单都记录了该笔资金的前一个拥有者、当前拥有者以及后一个拥有者,我们就可 以依据交易单实现对资金的全程追溯。这也是比特币的典型特征之一。最后,当每 笔交易完成时,系统都会向全网进行广播,告诉所有用户这笔交易的实施 (5)区块( Block) 交易和区块的关系,就如同水和瓶子,属于内容和容器的关系。由于每笔交易是 相对分散的,为了更好地统计交易,比特币系统创造了区块这一概念。每个区块均包 含以下三种要素:一是本区块的ID(散列);二是若干交易单;三是前一个区块的ID (散列)。比特币系统大约每十分钟创建一个区块,其中包含了这段时间里全球范围 内发生的所有交易。每个区块中也包含了前一个区块的ID,这种设计使得每个区块都 能找到其前一个节点,如此可一直倒推至起始节点,从而形成了一条完整的交易链条
6 图 1 比特币交易过程 资料来源：Nakamoto（2008），笔者进行了一定修改。 上述过程略显复杂。我们可以换一种不太精确但更容易理解的解释（姚勇，2013）。 依然以交易 1 为例，交易单 1 中其实包含以下六种信息：一是交易单 1 的 ID；二是 资金的来源，即交易单 0 的 ID；三是 A 对资金的签名，以证明是他把 100BTC 给 B 的；四是资金的去向，即 C 的账号（公钥）；五是资金的数额，即 100 BTC；六是 B 的签名（即 B 用自己私钥进行的数字签名），以证明是他自己签发的交易。由于每笔 交易单都记录了该笔资金的前一个拥有者、当前拥有者以及后一个拥有者，我们就可 以依据交易单实现对资金的全程追溯。这也是比特币的典型特征之一。最后，当每一 笔交易完成时，系统都会向全网进行广播，告诉所有用户这笔交易的实施。 （5）区块（Block） 交易和区块的关系，就如同水和瓶子，属于内容和容器的关系。由于每笔交易是 相对分散的，为了更好地统计交易，比特币系统创造了区块这一概念。每个区块均包 含以下三种要素：一是本区块的 ID（散列）；二是若干交易单；三是前一个区块的 ID （散列）。比特币系统大约每十分钟创建一个区块，其中包含了这段时间里全球范围 内发生的所有交易。每个区块中也包含了前一个区块的 ID，这种设计使得每个区块都 能找到其前一个节点，如此可一直倒推至起始节点，从而形成了一条完整的交易链条
(图2)因此,从比特币的诞生之日起,全网就形成一条唯一的主区块链( Block chain), 其中记录了从比特币诞生以来的所有交易记录,并以每十分钟新增一个节点的速度无 限扩展。这条主区块链在每添加一个节点后,都会向全网广播,从而使得每台参与比 特币交易的电脑上都有一份拷贝。在现实世界里,每笔非现金交易都由银行系统进行 记录,一旦银行计算机网络崩溃,所有数据都会遗失。而在互联网世界里,比特币的 所有交易记录都保存在全球无数台计算机中,只要全球有一台装有比特币程序的计算 机还能工作,这条主区块链就可以被完整地读取。如此高度分散化的交易信息存储 使得比特币主区块链完全遗失的可能性变得微乎其微。 图2区块链的局部结构 区块 区块 之前随机散列 随机数 之前随机散列 随机数 T Tx T Tx 资料来源: Nakamoto(2008)。 (6)挖矿( Mining) 如前所述,比特币的所有交易记录都保存在主区块链中。每十分钟就会有一个新 区块生成并加入进主区块链,这个新区块中记录了十分钟内全网的所有交易。由于比 特币使用的是P2P模式,这意味着网络上的每个节点都是平等的,没有一个中心节点 可以用来承担交易记录工作。因此,如此重要的交易记录任务交给谁来完成,就变成 一个现实问题。而比特币创始人中本聪给出的答案居然是任何人来完成都可以。由于 每笔交易完成后都会被广播给全网,因此每个人在对交易的有效性进行验证后,都可 以根据这些交易数据生成新区块。但这又引发了一个新问题,即如何让所有人都信任 由一个陌生人生成的新区块?这个新区块中是否记录了虚假交易或重复交易? 要解决这个问题,就要用到前文提到的工作量证明概念。基本思路是,寻找一个 随机数,使得将这个数字与新区块的交易信息一起输入SHA256后产生的数字,前面 n位(比如n=100)都是0。此项工作的意义在于,由于将会耗费很多时间,如果一个 人进行了这项计算且获得成功,那么他提供的区块很可能是真实可信的,因为花费如 此大力气作假得到的好处,远远不计花费同样努力从事真实工作得到的好处。此外
7 （图 2）。因此，从比特币的诞生之日起，全网就形成一条唯一的主区块链（Block Chain）， 其中记录了从比特币诞生以来的所有交易记录，并以每十分钟新增一个节点的速度无 限扩展。这条主区块链在每添加一个节点后，都会向全网广播，从而使得每台参与比 特币交易的电脑上都有一份拷贝。在现实世界里，每笔非现金交易都由银行系统进行 记录，一旦银行计算机网络崩溃，所有数据都会遗失。而在互联网世界里，比特币的 所有交易记录都保存在全球无数台计算机中，只要全球有一台装有比特币程序的计算 机还能工作，这条主区块链就可以被完整地读取。如此高度分散化的交易信息存储， 使得比特币主区块链完全遗失的可能性变得微乎其微。 图 2 区块链的局部结构 资料来源：Nakamoto（2008）。 （6）挖矿（Mining） 如前所述，比特币的所有交易记录都保存在主区块链中。每十分钟就会有一个新 区块生成并加入进主区块链，这个新区块中记录了十分钟内全网的所有交易。由于比 特币使用的是 P2P 模式，这意味着网络上的每个节点都是平等的，没有一个中心节点 可以用来承担交易记录工作。因此，如此重要的交易记录任务交给谁来完成，就变成 一个现实问题。而比特币创始人中本聪给出的答案居然是任何人来完成都可以。由于 每笔交易完成后都会被广播给全网，因此每个人在对交易的有效性进行验证后，都可 以根据这些交易数据生成新区块。但这又引发了一个新问题，即如何让所有人都信任 由一个陌生人生成的新区块？这个新区块中是否记录了虚假交易或重复交易？ 要解决这个问题，就要用到前文提到的工作量证明概念。基本思路是，寻找一个 随机数，使得将这个数字与新区块的交易信息一起输入 SHA256 后产生的数字，前面 n 位（比如 n=100）都是 0。此项工作的意义在于，由于将会耗费很多时间，如果一个 人进行了这项计算且获得成功，那么他提供的区块很可能是真实可信的，因为花费如 此大力气作假得到的好处，远远不计花费同样努力从事真实工作得到的好处。此外
其他所有节点在接收到新区块时,也会对其中包含交易的有效性进行校验,这意味着 虚假交易或重复交易很难骗过其他所有用户,这就形成了节点之间的信用保障机制 挖矿(Mnng)就是指产生新区块并计算随机数的过程。具体过程可分为以下六 步:第一步,由于网络上的每台计算机都保存有之前的主区块链,某台计算机以其中 最后一个区块的内容为输入,计算一个散列值;第二步,该计算机在接收广播来的交 易单并逐笔校验交易的准确性之后,把没有被列入之前区块的那些交易进行组合,并 纳入一个新区块;第三步,该计算机任意猜一个随机数,其大小和长度没有限制;第 四步,该计算机将第一步至第三步产生的数据作为输入,一起放到SHA256散列函数 中,计算得到一个长度为256的二进制数;第五步,检查这个二进制数的前n位是否 符合要求;第六步,如果该二进制数符合要求,则本轮游戏结束,该计算机会把新区 块连同这个幸运随机数一起广播给网络上的其他计算机。其他人在收到这个新区块后 会以同样的方式进行校验。如果结果无误,全网就接受这个新区块,将它连同之前的 主区块链一起保存。如果产生的随机数不合要求,则第二步至第六步就会重复进行 直到自己成功或者收到别人发来的新区块(姚勇,2013)。 从上述流程中可以看出,挖矿就是指搜集交易数据并建立新区块的过程。这个过 程虽然重要,却耗时费力,为什么所有参与者都趋之若鹜呢?最重要的原因在于,比 特币系统规定,每个成功建立新区块的人都将获得50个新比特币的奖励,且该奖励 将被记录在对应的新区块里。这50个新比特币是系统自动产生的,且得到全网的认 同。有趣的是,这种奖励的数额每四年减半,即2009年至2012年年为每区块50个 比特币、2013年至2016年为每区块25比特币、2017年至2021年为每区块125比特 币,如此不一而足。最终,全系统的比特币容量将达到2100万个的上限,至此不再 增加。从那时起,为保证主区块链能继续不断増长以确保比特币交易能继续正常进行, 每个创建新区块的人,都将从新区块包含的交易单中抽取一定的“交易税”作为奖励。 这种新的激励机制将保证比特币交易得以延续。 2、运行原理 在上述概念的基础上,我们就可以介绍比特币的运行原理了。作为一种脱离了实 物交接的货币形式,比特币需要解决如下几个基本问题:首先,谁来发行比特币并对 其进行信用背书?其次,如何建立账户并进行管理?再次,比特币交易如何确认? (1)发行和信用背书 与美元等国别信用货币不同,没有中央银行负责比特币的发行,也没有政府为其
8 其他所有节点在接收到新区块时，也会对其中包含交易的有效性进行校验，这意味着 虚假交易或重复交易很难骗过其他所有用户，这就形成了节点之间的信用保障机制。 挖矿（Mining）就是指产生新区块并计算随机数的过程。具体过程可分为以下六 步：第一步，由于网络上的每台计算机都保存有之前的主区块链，某台计算机以其中 最后一个区块的内容为输入，计算一个散列值；第二步，该计算机在接收广播来的交 易单并逐笔校验交易的准确性之后，把没有被列入之前区块的那些交易进行组合，并 纳入一个新区块；第三步，该计算机任意猜一个随机数，其大小和长度没有限制；第 四步，该计算机将第一步至第三步产生的数据作为输入，一起放到 SHA256 散列函数 中，计算得到一个长度为 256 的二进制数；第五步，检查这个二进制数的前 n 位是否 符合要求；第六步，如果该二进制数符合要求，则本轮游戏结束，该计算机会把新区 块连同这个幸运随机数一起广播给网络上的其他计算机。其他人在收到这个新区块后， 会以同样的方式进行校验。如果结果无误，全网就接受这个新区块，将它连同之前的 主区块链一起保存。如果产生的随机数不合要求，则第二步至第六步就会重复进行， 直到自己成功或者收到别人发来的新区块（姚勇，2013）。 从上述流程中可以看出，挖矿就是指搜集交易数据并建立新区块的过程。这个过 程虽然重要，却耗时费力，为什么所有参与者都趋之若鹜呢？最重要的原因在于，比 特币系统规定，每个成功建立新区块的人都将获得 50 个新比特币的奖励，且该奖励 将被记录在对应的新区块里。这 50 个新比特币是系统自动产生的，且得到全网的认 同。有趣的是，这种奖励的数额每四年减半，即 2009 年至 2012 年年为每区块 50 个 比特币、2013 年至 2016 年为每区块 25 比特币、2017 年至 2021 年为每区块 12.5 比特 币，如此不一而足。最终，全系统的比特币容量将达到 2100 万个的上限，至此不再 增加。从那时起，为保证主区块链能继续不断增长以确保比特币交易能继续正常进行， 每个创建新区块的人，都将从新区块包含的交易单中抽取一定的“交易税”作为奖励。 这种新的激励机制将保证比特币交易得以延续。 2、 运行原理 在上述概念的基础上，我们就可以介绍比特币的运行原理了。作为一种脱离了实 物交接的货币形式，比特币需要解决如下几个基本问题：首先，谁来发行比特币并对 其进行信用背书？其次，如何建立账户并进行管理？再次，比特币交易如何确认？ （1）发行和信用背书 与美元等国别信用货币不同，没有中央银行负责比特币的发行，也没有政府为其
提供信用背书。比特币的发行是通过挖矿来完成的。每一次有效挖矿都将产生新的比 特币,直至达到数量上限。比特币的信用,则源自所有参与比特币挖矿和交易的用户 所付出的大量计算,以及由此消耗的时间和电力等成本。人们为此投入的劳动越多 就意味着对比特币的认可程度越高。比特币系统是一种互联网环境下的新型信用体系, 它既不需要任何历史信用记录,也不需要任何机构或个人提供的信用担保。换言之, 比特币主要依靠理论和技术的双重保障来保证其信用:一方面,人是理性的,在诚实 劳动所能获得的报酬远高于欺骗时,没有人会花费力气进行欺骗;第二,比特币的特 征决定了欺骗是极其困难的。要成功进行欺骗,不仅需要经受其他所有用户的检验, 也需要具有高于全网总计算能力51%的计算设备。以目前比特币全网累积的计算能力 来看,即便是全球最先进的大型计算机距离这一要求也相差甚远。随着越来越多的新 增计算力加入,在比特币的世界里,欺骗的难度将变得越来越大。 (2)账户管理 账户管理涉及账户的建立、查询和安全保障,比特币也不例外。对比特币而言, 建立账户就是生成一个地址。比特币的账户、地址和公钥等概念是基本重合的。账户 就是一个地址(一串数字),相当于银行账户的户名,这当然是公开的。地址是由公 钥通过一系列数学计算推导出来的,因此地址仅仅是公钥的另一种形式。有了地址, 就可以查询比特币账户的余额 虽然地址类似于银行账户名,但与银行账户不同,该地址的余额并没有特意记录 在某个地方。如前所述,每一枚比特币自诞生之日起的所有交易路径都是可追溯的, 都被记录在主区块链中。因此,每个账户的余额都可以通过对主区块链进行计算得到, 而不需要单独记录。这种设计看似麻烦,但有着明显的优势:首先,每个使用者可以 拥有的账户数量是没有限制的。随着比特币使用者的不断增多,账户数量也与日俱增, 为每个账户单独保存余额是对存储空间的极大浪费;其次,对比特币而言,没有中央 节点来保存并管理余额信息,想要保存余额信息,就必须将其合并写入到区块中。否 则,全网节点在对新生成区块的有效性进行检验时,就不仅需要对新的交易进行检验, 还需要对全网所有账户的余额进行追溯检验,这无疑会显著增加工作量。在传统银行 里,储户不能仅仅通过户名就对账户余额进行查询。然而,比特币世界允许上述操作, 也即任何人都可以通过计算主区块链而查询任何账户的余额。比特币账号是完全匿名 的,且每个人可以有多个账号,这就保证了比特币拥有者的个人信息不可能通过分析 账号来获得。因此,即使将余额信息完全公开,也可以保证拥有者的个人隐私
9 提供信用背书。比特币的发行是通过挖矿来完成的。每一次有效挖矿都将产生新的比 特币，直至达到数量上限。比特币的信用，则源自所有参与比特币挖矿和交易的用户 所付出的大量计算，以及由此消耗的时间和电力等成本。人们为此投入的劳动越多， 就意味着对比特币的认可程度越高。比特币系统是一种互联网环境下的新型信用体系， 它既不需要任何历史信用记录，也不需要任何机构或个人提供的信用担保。换言之， 比特币主要依靠理论和技术的双重保障来保证其信用：一方面，人是理性的，在诚实 劳动所能获得的报酬远高于欺骗时，没有人会花费力气进行欺骗；第二，比特币的特 征决定了欺骗是极其困难的。要成功进行欺骗，不仅需要经受其他所有用户的检验， 也需要具有高于全网总计算能力 51%的计算设备。以目前比特币全网累积的计算能力 来看，即便是全球最先进的大型计算机距离这一要求也相差甚远。随着越来越多的新 增计算力加入，在比特币的世界里，欺骗的难度将变得越来越大。 （2）账户管理 账户管理涉及账户的建立、查询和安全保障，比特币也不例外。对比特币而言， 建立账户就是生成一个地址。比特币的账户、地址和公钥等概念是基本重合的。账户 就是一个地址（一串数字），相当于银行账户的户名，这当然是公开的。地址是由公 钥通过一系列数学计算推导出来的，因此地址仅仅是公钥的另一种形式。有了地址， 就可以查询比特币账户的余额。 虽然地址类似于银行账户名，但与银行账户不同，该地址的余额并没有特意记录 在某个地方。如前所述，每一枚比特币自诞生之日起的所有交易路径都是可追溯的， 都被记录在主区块链中。因此，每个账户的余额都可以通过对主区块链进行计算得到， 而不需要单独记录。这种设计看似麻烦，但有着明显的优势：首先，每个使用者可以 拥有的账户数量是没有限制的。随着比特币使用者的不断增多，账户数量也与日俱增， 为每个账户单独保存余额是对存储空间的极大浪费；其次，对比特币而言，没有中央 节点来保存并管理余额信息，想要保存余额信息，就必须将其合并写入到区块中。否 则，全网节点在对新生成区块的有效性进行检验时，就不仅需要对新的交易进行检验， 还需要对全网所有账户的余额进行追溯检验，这无疑会显著增加工作量。在传统银行 里，储户不能仅仅通过户名就对账户余额进行查询。然而，比特币世界允许上述操作， 也即任何人都可以通过计算主区块链而查询任何账户的余额。比特币账号是完全匿名 的，且每个人可以有多个账号，这就保证了比特币拥有者的个人信息不可能通过分析 账号来获得。因此，即使将余额信息完全公开，也可以保证拥有者的个人隐私