比特币的运行机制 比特币的运行机制有哪些

一、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：

二、比特币是如何运作的

比特币的运作原理

比特币是一种去中心化的数字货币，其运作原理主要基于复杂的加密算法和分布式账本技术。以下是比特币运作的详细解释：

一、用户层面的运作

对于大多数用户而言，比特币就是一个手机应用或电脑程序，它提供了一个个人比特币钱包。这个钱包允许用户支付和接收比特币。用户可以通过钱包生成比特币地址，这些地址是唯一的，用于接收他人发送的比特币。同时，用户也可以利用钱包中的私钥对交易进行签名，以确保交易的真实性和安全性。

二、区块链技术

在幕后，比特币网络共享一个称作“区块链”的公共总帐。区块链是一个不断增长的、由区块组成的链式数据结构，每个区块都包含了一定数量的交易记录。这些交易记录是比特币网络中所有已完成的交易的集合，它们被存储在每一个参与节点的本地副本中。

交易验证：每一笔交易的真实性由发送地址对应的电子签名保护。这意味着，只有拥有私钥的用户才能对交易进行签名，从而确保交易是从合法的所有者发出的。分布式账本：由于区块链是分布式的，因此每个节点都可以保存一份完整的账本。这使得比特币网络具有极高的鲁棒性和抗攻击性。即使部分节点被攻击或失效，整个网络仍然能够正常运行。

三、挖矿机制

比特币网络通过一种称为“挖矿”的过程来处理交易并生成新的比特币。挖矿是一种利用专门硬件的计算能力来解决复杂数学问题的过程。当矿工成功解决一个数学问题时，他们会被奖励一定数量的比特币，并且他们提交的交易也会被添加到区块链中。

工作量证明：比特币使用工作量证明（Proof of Work）机制来确保挖矿过程的公平性和安全性。这意味着，矿工需要消耗大量的计算资源来解决数学问题，从而证明他们为网络做出了贡献。新区块生成：每当一个新的区块被生成时，它都会被添加到区块链的末尾，并且包含在该区块中的所有交易都会被确认和记录。这确保了交易的不可逆性和安全性。

四、比特币的应用与发展

目前，越来越多的企业和个人开始使用比特币。这既包括像饭店、公寓和律师事务所那样的传统企业，也包括像Namecheap、WordPress、Reddit和Flattr这样的流行在线服务。比特币的普及程度正在不断提高，其市值和交易量也在持续增长。

总结：

比特币的运作原理是基于复杂的加密算法和分布式账本技术。用户可以通过比特币钱包进行支付和接收比特币，而区块链技术则确保了交易的真实性和安全性。挖矿机制为比特币网络提供了动力，并确保了交易的确认和记录。随着比特币的普及程度不断提高，它正在逐渐成为一种重要的数字货币和支付手段。

三、比特币的运行机制及与区块链的联系

佚名

每一笔比特币交易，都会被区块链网络中的节点记录下来，以此增强交易公信力，保护交易双方利益。但如果所有节点都参与记录的话，容易因为网络延迟等因素造成账本信息不一致，也难以避免记账人会篡改交易信息。

因此比特币采用工作量证明（Proof of Work）共识机制，让所有节点通过解决工作量证明难题的方式参与竞争，竞争成功的节点拥有新区块的记账权，并能够将记录的信息广播出去。其他节点接收后将根据此消息进行数据同步，确保账本一致。这种竞争记账权的过程，叫做挖矿，参与挖矿的节点，叫做矿工。矿工挖矿成功后可以获得区块奖励，即一定数额的比特币，还可以收取该区块上的交易手续费。在利益的驱使下，节点会积极参与挖矿并维护交易记录的真实有效。

比特币的发行只有一种方式，即区块奖励，也就是说比特币是通过挖矿产生的。不过，比特币并不能通过挖矿无限产生，其算法规定了每产生210100个区块（约四年），比特币的区块链奖励就要减半一次。由于比特币的发行总量恒定为2100万个，预计会在2140年挖完。这个规定确保了比特币不会由于人为增发而发生严重的通货膨胀，可以保护比特币的价值。

比特币的运行以区块链技术为依托，比特币与区块链有着密不可分的关系。比特币是一种资产，而区块链就是为这种资产设定好运行规则的底层技术，从而保证每一笔交易顺利进行。这就好比视频文件与播放器之间的关系，视频的播放必须要通过播放器的底层技术处理才能实现。区块链技术的诞生源于比特币概念的提出，可以说区块链技术是比特币催化下的产物。目前，区块链技术不止运用于比特币等加密货币，在各个领域都有广泛的应用，但比特币仍旧是区块链技术上最早、最成功的应用。

四、比特币机器是怎么运转的

很多朋友对于比特币的算力比特币的矿机矿场以及挖矿的回报率都是比较陌生的，下面我们就详细科普一下比特币以及区块链记录之间的运行机制。首先解释一下什么叫区块链？我们可以把它看成是分布式的账本以及构成的一个相对应的信用网络，在这个网络中每个人的言行举止都可以记录在链上，并且支持验证和回溯调查，多个链组合在一起就形成了区块，而负责把这个信息记录在链上的我们把它称之为矿工。

只有自己的算力越大，自己的记录能力越强，成为矿工的记录力量才会越大，回报率也就越高。看到这一点之后，我们就能够明白比特币的矿场以及它的挖矿机制的运行，当你的矿机和你拥有的全网算力越强大时，你所记录的比特币交易信息越多，自己的回报也就越多，这里的回报就是代币奖励。

截至于2020年11月为止，比特币的算力已经达到了一个非常高的水平，并且在这之前的十年时间中经历了三次大的算力难度升级。2010年左右时，普通的家用电脑就可以记录比特币的交易信息和它的交易记录并且当时的回报率是12.5个比特币，2014年左右开始专业的矿机出现，用来专门记录比特币的交易情况和比特币的上链网络记录。

每个区块的打包力量不同，每个区块的难度也是有所不同，并且处在一个相对的实时变化状态中。我们投资者购买矿机组建成矿场，利用自己的算力去记录比特币的链上信息，达到一定的程度之后，会给你反馈代币奖励这个代币，也就是我们所谓的比特币，在2020年11月10日的这个时间节点上，一枚比特币的价格是10万元人民币。

所以看到这里，相信大家也就能够理解什么是比特币的算力，什么是比特币的挖矿？另外提一句，当前的矿场基本上已经被大机构所垄断，或者说所谓的入门门槛非常之高，没有几百万元的投资或者上千万的投资，基本上在当前的比特币挖矿行业中都属于散户，而散户矿工经常会因为算力波动较大以及电费成本的上升入不敷出而放弃挖矿。