比特币交易签名原理 比特币多重签名原理

一、比特币签名是什么意思

比特币签名是比特币交易中的一个重要环节，它用于验证交易的真实性和所有权。

在比特币网络中，每一笔交易都需要被验证，以确保其合法性和有效性。比特币签名就是一种数字签名，它使用私钥对交易信息进行加密，生成一个唯一的签名。这个签名可以证明交易的发起者拥有相应的私钥，从而验证交易的真实性。

1.私钥与签名：比特币使用非对称加密算法，每个用户都有一对公私钥。私钥是用户的唯一标识，用于生成签名。当用户发起一笔交易时，他会使用私钥对交易信息进行加密，生成一个签名。这个签名是独一无二的，只有拥有相应私钥的用户才能生成。

2.验证签名：在交易被广播到比特币网络后，其他节点会使用公钥对签名进行验证。如果签名验证成功，则说明交易的发起者拥有相应的私钥，交易是真实有效的。

3.确保交易安全：比特币签名的作用是确保交易的安全性和不可篡改。只有拥有私钥的用户才能生成签名，从而保证了交易的所有权。同时，签名的验证过程也保证了交易信息在传输过程中没有被篡改。

4.防止双重花费：比特币签名还可以防止双重花费问题。当一个用户发起一笔交易时，他会使用私钥对交易进行签名。如果其他用户试图使用相同的比特币进行另一笔交易，由于签名不同，这笔交易将无法通过验证。

5.应用场景：比特币签名不仅用于比特币交易，还在其他区块链项目中广泛应用。它是区块链技术中实现安全、可信交易的重要手段之一。

比特币签名通过使用私钥对交易信息进行加密，生成唯一的签名，从而验证交易的真实性和所有权。它在比特币网络中起着至关重要的作用，确保了交易的安全性和不可篡改。同时，比特币签名也为其他区块链项目提供了重要的安全保障。

二、比特币签名的办理流程复杂吗,需要多长时间

比特币签名办理流程较为复杂，所需时间也因多种因素而异。

比特币签名涉及到复杂的密码学技术和区块链相关知识。首先要对比特币钱包等相关概念有清晰的理解，然后在具备一定技术能力的基础上，按照特定的算法和流程来生成签名。这通常需要熟悉比特币的底层技术架构，包括私钥、公钥等概念的运用。一般来说，对于有相关技术基础和经验的人，可能需要数小时到数天来熟悉流程并完成操作。但对于不熟悉的人，可能需要花费更多时间去学习和实践，甚至可能因为技术难题而多次尝试都无法成功。整体来看，这个过程较为复杂且耗时，少则几天，多则可能需要几周时间才能熟练掌握并顺利完成签名办理。

1.首先，办理比特币签名需要掌握一些基础知识。这包括了解比特币的基本原理，像去中心化、区块链的概念等。只有对这些有清晰的认识，才能更好地理解签名在整个比特币体系中的作用。例如，明白比特币是基于密码学技术构建的，每个用户有自己的公私钥对，签名就是利用私钥对交易等信息进行加密处理，以证明交易的真实性和用户的授权。如果对这些基础知识不了解，就很难开展后续的签名办理流程。

2.接着，要进行实际操作。这需要使用专门的比特币钱包软件或相关工具。在操作过程中，要准确地输入交易信息、接收方地址等关键数据。然后按照特定的签名算法，通过钱包软件生成签名。这个过程可能会遇到各种问题，比如软件操作不熟练、网络不稳定等。一旦出现问题，就需要花费时间去排查和解决。而且不同的钱包软件可能在操作步骤和界面上有所差异，这也增加了学习和适应的时间成本。

3.最后，还需要进行验证和测试。生成签名后，要确保签名的有效性和准确性。这可能需要在模拟交易环境或与其他节点进行交互验证。如果发现签名存在问题，就需要重新调整和生成。整个过程中，每一个环节都需要仔细检查和确认，任何一个小的失误都可能导致签名办理失败或出现安全隐患。所以综合来看，比特币签名办理流程复杂，所需时间难以确切确定，少则几天，多则可能需要几周时间才能顺利完成。

三、为什么比特币不能伪造

比特币不能伪造的原因在于其基于密码学原理、去中心化特性以及共识机制。

第一，比特币基于密码学原理。比特币采用公钥和私钥进行交易，其中公钥用于接收比特币，而私钥用于签名交易并证明拥有权。密码学技术确保了只有通过正确的私钥才能发起有效的交易。要伪造比特币，需要破解与之相关的加密算法，这几乎是不可能的，因为需要大量的计算资源和时间。

第二，比特币具有去中心化的特性。比特币的交易和发行不受任何中央机构或政府控制，而是分布在全球的节点上。所有的交易记录都被保存在一个公开的区块链上，任何节点都可以参与验证和确认交易。这种去中心化的特性使得比特币不受任何单一实体控制，从而减少了被伪造的风险。

第三，比特币的共识机制也确保了其不可伪造性。比特币网络中的节点通过共识机制来确认交易的有效性并添加到区块链上。这需要大量的计算力和资源来完成验证过程。要伪造比特币，不仅需要破解加密算法，还需要在短时间内获得网络中的大量算力支持，这是非常困难的。

综上所述，比特币的密码学原理、去中心化特性和共识机制共同保证了其不可伪造性。这使得比特币在全球范围内成为一种安全、可靠、透明的数字货币，被越来越多的人所接受和使用。此外，比特币网络不断的升级和完善也在确保系统的安全性和稳定性上发挥着重要作用，使伪造变得更加困难。

四、比特币公钥是什么比特币公钥生成原理是什么

比特币公钥是用来加密并且可以公开的比特币地址的一部分，它通过私钥和一个特定的椭圆曲线算法生成。

比特币公钥的定义：比特币公钥是将私钥通过一个椭圆曲线乘法算法（K= k* G）计算得来的，其中k是私钥，G是被称为生成点的常数点，而K是所得公钥。在比特币系统中，一个密钥对包括一个私钥和由其衍生出的唯一的公钥。公钥用于接收比特币，而私钥则用于比特币支付时的交易签名。

比特币公钥的生成原理：

私钥的生成：私钥是一个随机生成的大数，它作为比特币地址的唯一标识。

椭圆曲线算法：比特币使用了一个特定的椭圆曲线（spec256k1）来进行公钥的生成。这个椭圆曲线是由NIST（National Institute of Standards and Technology）确定的，并且具有特定的数学性质，使得生成的公钥和私钥对既安全又高效。

公钥的计算：有了私钥后，通过椭圆曲线乘法算法（K= k* G）就可以计算出公钥。这个算法实际上是将私钥（k）与椭圆曲线上的生成点（G）进行乘法运算，得到的结果（K）就是公钥。这个运算过程在数学上是非常复杂的，但计算机可以高效地执行它。

公钥的验证：公钥生成后，可以通过椭圆曲线的数学性质进行验证。具体来说，可以使用公钥和某个消息生成一个签名，然后使用公钥对这个签名进行验证。如果验证通过，就说明这个签名是由对应的私钥生成的，从而证明了私钥的持有者拥有对应的比特币地址。

综上所述，比特币公钥是通过私钥和一个特定的椭圆曲线算法生成的，它用于接收比特币并保护交易的安全性。

五、比特币机制研究

现今世界的电子支付系统已经十分发达，我们平时的各种消费基本上在支付宝和微信上都可以轻松解决。但是无论是支付宝、微信，其实本质上都依赖于一个中心化的金融系统，即使在大多数情况这个系统运行得很好，但是由于信任模型的存在，还是会存在着仲裁纠纷，有仲裁纠纷就意味着不存在不可撤销的交易，这样对于不可撤销的服务来说，一定比例的欺诈是不可避免的。在比特币出来之前，不存在一个不引入中心化的可信任方就能解决在通信通道上支付的方案。

比特币的强大之处就在于：它是一个基于密码学原理而不是依赖于中心化机构的电子支付系统，它能够允许任何有交易意愿的双方能直接交易而不需要一个可信任的第三方。交易在数学计算上的不可撤销将保护提供不可撤销服务的商家不被欺诈，而用来保护买家的程序化合约机制也比较容易实现。

假设网络中有A, B,C三个人。

A付给B 1比特币，B付给C 2比特币，C付给A 3比特币。

如下图所示：

为了刺激比特币系统中的用户进行记账，记账是有奖励的。奖励来源主要有两方面：

比特币中每一笔交易都会有手续费，手续费会给记账者

记账会有打包区块的奖励，中本聪在08年设计的方案是：每10分钟打一个包，每打一个包奖励50个比特币，每4年单次打包的奖励数减半，即4年后每打一个包奖励25个比特币，再过四年后就奖励12.5个比特币...这样我们其实可以算出比特币的总量：

要说明打包的记录以谁为准的问题，我们需要引入一个知名的拜占庭将军问题（Byzantine failures）。拜占庭将军问题是由莱斯利·兰伯特提出的点对点通信中的基本问题。含义是在存在消息丢失的不可靠信道上试图通过消息传递的方式达到一致性是不可能的。

假设有9个互相远离的将军包围了拜占庭帝国，除非有5个及以上的将军一起攻打，拜占庭帝国才能被打下来。而这9个将军之间是互不信任的，他们并不知道这其中是否有叛徒，那么如何通过远距离协商来让他们赢取战斗呢？

口头协议有3个默认规则：

1.每个信息都能够被准确接收

2.接收者知道是谁发送给他的

3.谁没有发送消息大家都知道

4.接受者不知道转发信息的转发者是谁

将军们遵循口头规则的话，那就是下面的场景：将军1对其他8个将军发送了信息，然后将军2~9将消息进行转达（广播），每个将军都是消息的接受者和转发者，这样一轮下来，总共就会有9×8=72次发送。这样将军就可以根据自己手中的信息，选择多数人的投票结果行动即可，这个时候即便有间谍，因为少数服从多数的原则，只要大部分将军同意攻打拜占庭，自己就去行动。

这个方案有很多缺点：

1.首先是发送量大，9个将军之间要发送72次，随着节点数的增加，工作量呈现几何增长。

2.再者是无法找出谁是叛徒，因为是口头协议，接受者不知道转发信息的转发者是谁，每个将军手里的数据仅仅只是一个数量的对比：

这里我们假设有3个叛徒，在一种最极端的情况下即叛徒转发信息时总是篡改为“不进攻”，那么我们最坏的结果就如上图所示。将军1根据手里的信息可以推出要进攻的结论，却无法获知将军里面谁是叛徒。

这样我们就有了方案二：书面协议。

书面协议即将军在接受到信息后可以进行签字，并且大家都能够识别出这个签字是否是本人，换种说法就是如果有人篡改签字大家可以知道。书面协议相对比口头协议就是增加了一个认证机制，所有的消息都有记录。一旦发现有人所给出的信息不一致，就是追查间谍。

有了书面协议，那么将军1手里的信息就是这样的：

可以很明显得看出，在最坏的一种情况——叛徒总是转发“不进攻”的消息之下，将军7、8、9是团队里的叛徒。

这个方案解决了口头协议里历史信息不可追溯的问题，但是在发送量方面并没有做到任何改进。

在我们的示例中，比特币系统里的每个用户发起了一笔交易，都会通过自己的私钥进行签名，用数学公式表示就是：

所以之前的区块就变成了这样：

这样每一笔交易都由交易发起者通过私钥进行数字签名，由于私钥是不公开的，所以交易信息也就无法被伪造了。

如书面协议末尾所说的那样，书面协议未能解决信息交流过多的问题。当比特币系统中存在上千万节点的时候，如果要互相广播验证，请求响应的次数那将是一个非常庞大的数字，显然势必会造成网络拥堵、节点处理变慢。为了解决这个问题，中本聪干脆让整个10分钟出一个区块，这个区块由谁来打包发出呢？这里就采用了工作量证明机制(PoW)。工作量证明，说白了就是解一个数学题，谁先解出来数学题，谁就能有打包区块的权力。换在拜占庭将军的例子中就是，谁先做出数学题，谁就成为将军们里面的总司令，其他将军听从他发号的命令。

首先，矿工会将区块头所占用的128字节的字符串进行两次sha256求值，即：

这样求得一个值Hash，将其与目标值相比对，如果符合条件，则视为工作量证明成功。

工作量证明成功的条件写在了区块链头部的难度数字段，它要求了最后进行两次sha256运算的Hash值必须小于定下的目标值；如果不是的话，那就改变区块头的随机数（nonce），通过一次次地重复计算检验，直到符合条件为止。

此外，比特币有自己的一套难度控制系统，使得比特币系统要在全网不同的算力条件下，都保持10分钟生成一个区块的速率。这也就意味着：难度值必须根据全网算力的变化进行调整。难度调整的策略是由最新2016个区块的花费时长与期望时长（期望时长为20160分钟即两周，是按每10分钟一个区块的产生速率计算出的总时长）比较得出的，根据实际时长与期望时长的比值，进行相应调整（或变难或变易）。也就是说，如果区块产生的速率比10分钟快则增加难度，比10分钟慢则降低难度。

PoW其实在比特币中是做了以下的三件事情。

这样可以防止一台高性能机器同时跑上万个节点，因为每完成一个工作都要有足够的算力。

有经济奖励就会加速整个系统的去中心化，也鼓励大家不要去作恶，要积极地按照协议本来的执行方式去执行。(所以说，无币区块链其实是不可行的，无币区块链一定导致中心化。)

也就是说，每个节点都不能以自身硬件条件去控制出快速度。现在的比特币上平均10分钟出一个块，性能再好的机器也无法打破这个规则，这就能够保证区块链是可以收敛到共同的主链上的，也就是我们所说的共识。

综上，共识只是PoW三个作用中的一点，事实上PoW设计的作用有点至少有这么三种。

默克尔树的概念其实很简单，如图所示

这样，我们区块的结构就大致完整了，这里分成了区块头和区块体两部分。

区块链的每个节点，都保存着区块链从创世到现在的每一区块，即每一笔交易都被保存在节点上，现在已经有几百个GB了。

每当比特币系统中有一笔新的交易生成，就会将新交易广播到所有的节点。每个节点都把新交易收集起来，并生成对应的默克尔根，拼接完区块头后，就开始调整区块头里的随机数值，然后就开始算数学题

将算出的result和网络中的目标值进行比对，如果是结果是小于的话，就全网广播答案。其他矿工收到了这个信息后，就会立马放下手里的运算，开始下一个区块的计算。

举个例子，当前A节点在挖38936个区块，A挖矿节点一旦完成计算，立刻将这个区块发给它的所有相邻节点。这些节点在接收并验证这个新区块后，也会继续传播此区块。当这个新区块在网络中扩散时，每个节点都会将它作为第38936个区块(前一个区块为38935)加到自身节点的区块链副本中。当挖矿节点收到并验证了这个新区块后，它们会放弃之前对构建这个相同高度区块的计算，并立即开始计算区块链中下一个区块的工作。

整个流程就像下一张图所展示的这样：

简单来说，双花问题是一笔钱重复花了两次。具体来讲，双花问题可分为两种情况：

1.同一笔钱被多次使用；

2.一笔钱只被使用过一次，但是通过黑客攻击或造假等方式，将这笔钱复制了一份，再次使用。

在我们生活的数字系统中，由于数据的可复制性，使得系统可能存在同一笔数字资产因不当操作被重复使用的情况，为了解决双花问题，日常生活中是依赖于第三方的信任机构的。这类机构对数据进行中心化管理，并通过实时修改账户余额的方法来防止双重支付的出现。而作为去中心化的点对点价值传输系统，比特币通过UTXO、时间戳等技术的整合来解决双花问题。

UTXO的英文全称是 unspent transaction outputs，意为未使用的交易输出。UTXO是一种有别于传统记账方式的新的记账模型。

银行里传统的记账方式是基于账户的，主要是记录某个用户的账户余额。而UTXO的交易方式，是基于交易本身的，甚至没有账户的概念。在UTXO的记账机制里，除了货币发行外，所有的资金来源都必须来自于前面某一个或几个交易。任何一笔的交易总量必须等于交易输出总量。UTXO的记账机制使得比特币网络中的每一笔转账，都能够追溯到它前面一笔交易。

比特币的挖矿节点获得新区块的挖矿奖励，比如 12.5个比特币，这时，它的钱包地址得到的就是一个 UTXO，即这个新区块的币基交易（也称创币交易）的输出。币基交易是一个特殊的交易，它没有输入，只有输出。

当甲要把一笔比特币转给乙时，这个过程是把甲的钱包地址中之前的一个 UTXO，用私钥进行签名，发送到乙的地址。这个过程是一个新的交易，而乙得到的是一个新的 UTXO。

这就是为什么有人说在这个世界上根本没有比特币，只有 UTXO，你的地址中的比特币是指没花掉的交易输出。

以Alice向Bob进行转账的过程举例的话：

UTXO与我们熟悉的账户概念的差别很大。我们日常接触最多的是账户，比如，我在银行开设一个账户，账户里的余额就是我的钱。

但在比特币网络中没有账户的概念，你可以有多个钱包地址，每个钱包地址中都有着多个 UTXO，你的钱是所有这些地址中的 UTXO加起来的总和。

中本聪发明比特币的目标是创建一个点对点的电子现金，UTXO的设计正可以看成是借鉴了现金的思路：我们可能在这个口袋里装点现金，在那个柜子角落里放点现金，在这种情况下不存在一个账户，你放在各处的现金加起来就是你所有的钱。

采用 UTXO设计还有一个技术上的理由，这种特别的数据结构可以让双重花费更容易验证。对比一下：