摘要：近年来， 比特币进入大众视野， 并吸引着越来越多的人投入。笔者从金融方面概述比特币的发展， 以展示比特币的价值变动。简单介绍比特币底层技术区块链的架构模型， 分析比特币的特点， 从技术层面着重讲解比特币工作原理， 以达到让人们深刻认识比特币的目的。
关键词：比特币； 区块链； 去中心化； 挖矿；
Detailed Description of the Working Principle of Bitcoin
Abstract:In recent years, Bitcoin has entered the public eye and attracted more and more people to invest. The author summarizes the development of Bitcoin from the financial aspect to demonstrate the change of Bitcoin value. This paper briefly introduces the structure model of the block chain of Bitcoin bottom technology, analyzes the characteristics of Bitcoin, and explains the working principle of bitcoin from the technical level, so as to achieve the purpose of making people understand Bitcoin deeply.
Keyword:Bitcoin; blockchain; de-centered; mining;
1、比特币的产生与发展
2008年9月， 具有100多年历史的美国投资银行雷曼兄弟宣布破产， 美国次贷危机彻底爆发， 全球金融市场因此受到了巨大影响。11月有人用“中本聪”的化名发表了一篇名为《比特币：一种点对点的电子现金系统》的论文， 阐述了一种去中心化、不需要信任基础的点对点交易体系。
2009年1月3日， 中本聪挖出首批50个比特币并正式启动了比特币金融系统， 此后一年内比特币只在极客圈内小范围流行， 而在比特币名声渐起时， 中本聪却功成身退， 在网络上销声匿迹。
2011年到2012年间是比特币的暗黑时代， 此时的比特币尚未得到认可， 比特币网络中参与挖掘比特币的矿工人数少， 比特币价格低迷， 交易量也低。
2013年是比特币大爆发的一年， 比特币逐渐得到认可， 矿工数量增多， 比特币的价格持续走高， 交易量剧增。而随着市场理性的回归及其他因素， 比特币市场进入冷却期， 价格稳定。直到2016年比特币强势复苏， 比特币概念再一次进入大众视野， 而如今挑动人们神经的除了比特币本身之外， 还有比特币的底层技术--区块链。
2、比特币的底层技术--区块链
如今越来越多的人开始炒作区块链的概念， 但人们对其本质并不了解， 甚至绝大多数人对其的理解就是各种币， 这是极其肤浅的。区块链技术被认为是计算机范式的第五次颠覆。
区块链可由一个六层架构模型来表示， 这六层分别为数据层、网络层、共识层、激励层、合约层、应用层[1].第一层数据层存储底层数据并形成分布式账本， 交易数据经SHA256算法散列运算后成为定长字符串， 采用Merkle树方式将一个区块中多个经散列形成的定长字符串组织起来， 并为每个区块加盖时间戳以增加区块链的时间维度[2].每个区块由区块头和区块体两部分组成， 并根据时间进行连接。除了第一个区块 （称为创世区块） 外， 其他区块均包含上一区块头的散列值， 且具有时序性， 这就达到了区块不可更改性的目的。第二层网络层采用对等式网络--P2P网络连接区块链网络上的各节点， 广播机制传播交易信息， 验证机制验证交易的正确性。第三层共识层利用Po W、Po S或其他共识机制使无信任基础的双方建立信任。第四层激励层利用激励机制保证各节点提供算力来支撑整个网络的运行[3].第五层合约层是利用一系列算法机制、脚本代码、智能合约等实现自动运行与控制， 当触发条件满足时激活并执行合约。第六层是应用层， 即“区块链+APP”, 将区块链技术应用到更多的方面。
通过对区块链技术的了解， 可分析得出区块链技术的典型应用比特币的特点有去中心化、无需个人信息的匿名性、时间戳和链式结构保证的可追溯性、无加入门槛的开放性和通用性、区块内容不可更改保证的交易不可逆性。再结合比特币自身具有的货币数量有限、无伪钞风险、交易费用低等特点， 不难看出比特币在未来社会的价值。
综上， 区块链就是一个集分布式数据库、加密算法、点对点传输、共识机制、激励机制等技术为一体的新型应用模式。区块链技术的核心在于用技术为无信任基础的群体建立信任[4], 这种技术必将为金融、经济甚至政治、文化等领域带来深刻的变革。
3、比特币网络工作原理
2009年中本聪挖出第一笔赏金为50个比特币， 此时的货币总数即为50, 随后每大约10 min增长50比特币。当总量达到1 050万 （2 100万的一半） 时， 赏金减半为25个比特币， 当再增加525万 （1 050万的一半） 时， 赏金再次减半为12.5个比特币， 以此类推。因为比特币只能细分到小数点后8位， 因此， 到2140年无法再细分下去， 即比特币发行完毕， 此时将共发行2 100万个比特币。
3.1 挖矿原理
想要加入比特币网络， 参与比特币的生成 （俗称挖矿） , 需要先拥有一个类似于银行卡号的比特币地址， 可通过下载比特币钱包或者在比特币网站注册以获得一串由数字和字母组成的26~34位比特币地址。每个加入比特币网络中的计算设备， 都是为比特币网络提供算力的节点， 设备的拥有者俗称为矿工。
挖矿不仅仅是为了生成比特币， 也是为了将一段时间内 （大约10 min） 比特币网络中发生的交易确认并记录在新区块， 矿工那么多， 到底由谁来记账呢？这就要竞争记账权了。矿工在自己的计算设备上安装挖矿软件， 不需要矿工亲自动手， 而是由设备执行特定的运算 （哈希算法） 找到问题的解。因为没有固定算法找到问题的解， 只能通过随机哈希碰撞的方式求得。随着设备算力的增加， 题目难度也动态增加， 从而保证问题在10 min左右得到解。最先找到该问题解的人获得该次记账权， 将未被记录的交易信息打包到一个区块， 并将区块同步到整个比特币网络。生成固定个数比特币奖励给该记账员， 以此激励所有矿工继续提供算力 （每秒钟能做哈希碰撞的次数， 单位为HASH/s） .比特币本质为一串字符， 类似于纸币上的序列号， 拥有了该序列号， 就拥有了该比特币。因为区块链块头中包含上一个区块的哈希值， 为确保交易记录不能被任何人篡改需要经过六次确认。
3.2 转账交易
2140年比特币全部被挖出后， 驱动矿工持续挖矿的动力则来源于转账交易中的客户分红。在需要将比特币由一方转给另一方时， 就发生了转账交易。转账要填写发送方地址、接收方地址、转账金额、手续费等信息。手续费是给矿工的奖励， 通过竞争获得。手续费按字节收费， 一笔普通交易 （一个发送方和一个接收方） 是250个字节， 收费一般为0.001~0.001 5个比特币， 如果有多个接收人， 则转账信息所含字节多， 所需手续费增多， 因此， 跨国交易更实惠。
比特币转账发起后， 会通过数字签名技术生成一段防伪造的字符串， 用来对发起人进行验证。首先将该交易广播至全网， 比特币网络中的节点接到这笔交易后， 将其存入本地内存池并进行一些基本验证 （如双重支付问题） .当交易验证成功时， 放入“未确认交易池”, 若失败则进行“无效交易”标记。因此， 节点需要同时完成寻找问题解和验证交易更新“未确认交易池”两项工作。矿工每次从“未确认交易池”中选择近千笔交易进行打包， 因为区块内容有限， 有些交易不能被及时打包， 会造成区块拥堵。想要提高被打包的可能性， 可通过提高手续费的方式实现。
挖矿实际是矿工之间算力的比较， 矿工算力占全网算力的比值就是矿工挖到的概率。挖矿风潮的兴起使比特网算力呈指数级增加。在经历了CPU挖矿、GPU挖矿和专业矿机挖矿后， 比特币挖矿进入矿池挖矿阶段。矿机中的挖矿芯片只进行竞争记账权的单一运算， 算力是普通电脑的几十或几百倍， 而目前个人购置少量矿机挖出的可能性也很小， 因此， 出现将大量矿工算力连接在一起挖矿的矿池。矿池算力远大于单个矿工算力， 也就提升了挖到区块的可能性， 再按每个矿工的贡献分配奖励。
比特币网络中的节点分为全节点和轻型节点， 拥有全部区块链信息的节点为全节点， 否则， 为轻型节点， 但两者功能一致。
4、结语
比特币无信任基础节点间的点对点交易实现了去中心， 且其具有的匿名性、可追溯性、开放性、全球通用性、交易费用低、无伪钞等特点比现行的各种货币系统具有一定优势。但也有一定弊端， 比如， 通过区块链可以查到每个比特币地址的所有转账记录， 保证了交易的公开透明， 但交易被所有人知晓， 人们也就没有了隐私。正如一位技术人员所说：比特币优点即特点， 特点即缺点。
参考文献
[1]SWAN M.Blockchain:blueprint for a new economy[M].California:O'Reilly Media Inc, 2015.
[2]沈鑫， 裴庆祺， 刘雪峰。区块链技术综述[J].网络与信息安全学报， 2016, 2 （11） :11-20.
[3]周宏达。比特币的前世今生[J].中国金融家， 2013 （6） :96-97, 63.
[4]谢辉， 王健。区块链技术及其应用研究[J].信息网络安全， 2016 （9） :192-195.
