要想了解bitcoin的技术原理,首先需要了解两个重要的密码技术:

HASH码:将一个长字符串转换成固定长度的字符串,并且其转换不可逆,即不太可能从HASH码猜出原字符串。bitcoin协议里使用的主要是SHA256。
公钥体系:对应一个公钥和私钥,在应用中自己保留私钥,并公开公钥。当甲向乙传递信息时,可使用甲的私钥加密信息,乙可用甲的公钥进行解密,这样可确保第三方无法冒充甲发送信息;同时,甲向乙传递信息时,用乙的公钥加密后发给乙,乙再用自己的私钥进行解密,这样可确保第三者无法偷听两人之间的通信。最常见的公钥体系为RSA,但bitcoin协议里使用的是lliptic Curve Digital Signature Algorithm。

和现金、银行账户的区别?

bitcoin为电子货币,单位为BTC。在这篇文章里也用来指代整个bitcoin系统。

和在银行开立账户一样,bitcoin里的对应概念为地址。每个人都可以有1个或若干个bitcoin地址,该地址用来付账和收钱。每个地址都是一串以1开头的字符串,比如我有两个bitcoin账户,1911HhKdLbnsffT5cRSiHgK3mdzMiyspXf和1JSUzrzMk7f6iymfVkvqLBJDBZXBopyfZK。一个bitcoin账户由一对公钥和私钥唯一确定,要保存账户,只需要保存好私钥文件即可。

和银行账户不一样的地方在于,银行会保存所有的交易记录和维护各个账户的账面余额,而bitcoin的交易记录则由整个P2P网络通过事先约定的协议共同维护。

我的账户地址里到底有多少钱?

虽然使用bitcoin的软件可以看到当前账户的余额,但和银行不一样,并没有一个地方维护每个地址的账面余额。它只能通过所有历史交易记录去实时推算账户余额。

我如何付账?

当我从地址A向对方的地址B付账时,付账额为e,此时双方将向各个网络节点公告交易信息,告诉地址A向地址B付账,付账额为e。为了防止有第三方伪造该交易信息,该交易信息将使用地址A的私钥进行加密,此时接受到该交易信息的网络节点可以使用地址A的公钥进行验证该交易信息的确由A发出。当然交易软件会帮我们做这些事情,我们只需要在软件中输入相关参数即可。

网络节点后收到交易信息后会做什么?

这个是整个bitcoin系统里最重要的部分,需要详细阐述。为了简单起见,这里只使用目前已经实现的bitcoin协议,在当前版本中,每个网络节点都会通过同步保存所有的交易信息。

历史上发生过的所有交易信息分为两类,一类为”验证过”的交易信息,即已经被验证过的交易信息,它保存在一连串的“blocks”里面。每个”block”的信息为前一个”bock”的ID(每个block的ID为该block的HASH码的HASH码)和新增的交易信息(参见一个实际的block)。另外一类指那些还”未验证”的交易信息,上面刚刚付账的交易信息就属于此类。

当一个网络节点接收到新的未验证的交易信息之后(可能不止一条),由于该节点保存了历史上所有的交易信息,它可以推算中在当时每个地址的账面余额,从而可以推算出该交易信息是否有效,即付款的账户里是否有足够余额。在剔除掉无效的交易信息后,它首先取出最后一个”block”的ID,然后将这些未验证的交易信息和该ID组合在一起,再加上一个验证码,形成一个新的“block”。

上面构建一个新的block需要大量的计算工作,因为它需要计算验证码,使得上面的组合成为一个block,即该block的HASH码的HASH码的前若干位为1。目前需要前13位为1(大致如此,不确定具体方式),此意味着如果通过枚举法生成block的话,平均枚举次数为16^13次。使用CPU资源生成block被称为“挖金矿”,因为生产该block将得到一定的奖励,该奖励信息已经被包含在这个block里面。

当一个网络节点生成一个新的block时,它将广播给其它的网络节点。但这个网络block并不一定会被网络接受,因为有可能有别的网络节点更早生产出了block,只有最早产生的那个block或者后续block最多的那个block有效,其余block不再作为下一个block的初始block。

BitCoin (7)

对方如何确认支付成功?

当该笔支付信息分发到网络节点后,网络节点开始计算该交易是否有效(即账户余额是否足够支付),并试图生成包含该笔交易信息的blocks。当累计有6个blocks(1个直接blocks和5个后续blocks)包含该笔交易信息时,该交易信息被认为“验证过”,从而该交易被正式确认,对方可确认支付成功。