一个故事看懂比特币的原理和运行机制

问题陈述

让我们从比特币背后的动机开始。

易货比特村

据说在这个世界上，有一个叫做比特村的小村子，村子里住着几百户人家。 村子几乎与世隔绝，过着自给自足的生活。 因为没有大规模的贸易，比特村的村民一直过着以物易物的生活，也就是说村民没有使用统一的货币。 彼此之间的交易，基本上就是老张家给老李家换一袋面粉。 为了一只羊，王阿姨用一筐野果换了刘阿姨的两尺布。 村民们一直过着这样简朴的生活。

实物货币

终于有一天，村民们觉得一直这样以物易物太不方便了，于是全村人开会商量如何解决这个问题。 有人建议，对于黄金等易分稀有的物品，作为一般等价物，应将其他物品与黄金的对应关系编成表格，如1克黄金对应一只羊，一克黄金对应一袋面粉等等，这时候，老张再也不用气喘吁吁地背着一袋面粉去老李家换羊了。 他只要从他家找出一克黄金，去老李家带回一只羊就可以了。 一克黄金，只要愿意卖面粉的人，就可以换一袋面粉，当然也可以换任何等值于一克黄金的物品。

此时，比特村已经进入了实物货币时代。

符号货币

好景不长，过了一段时间，实物货币的劣势也显现出来了。 因为比特村附近的金矿并不多，开采和冶炼黄金实在是太费时费力了。 随着使用，黄金总是会磨损、丢失或被故意囤积。 全村人又坐在一起，开始商议对策。 这时候有人说，其实不用黄金，随便找张纸，写上“一克黄金”，只要全村人都同意这张纸等于一克就可以了黄金，问题就迎刃而解了。 其他人表示赞同，但与此同时，又出现了一个新问题：真金需要开采和冶炼。 金矿是有限的，开采和冶炼也是需要成本的，所以没有人能够在短时间内凭空炼出大量的黄金。 写作是不同的。 现在只要纸笔够多，想写多少就写多少，到时候就变成了家里谁纸多的大战，说不定10000张纸可以换一只羊（其实，这会造成经济问题（学术通货膨胀）。

大家也在思考。 但这时有人想出了一个办法：这张纸谁写谁无效，我们只认村里德高望重的老村长的字迹，老村长的字迹大家都知道。 老村长写了一些纸，同时根据每家的黄金存量，给大家发了等量的纸。 比如老张家有200克黄金，老村长送老张200张纸，上面写着“一克黄金”。 同时，他们还拿走了老张家里的黄金作为抵押。 就这样，老村长把村里所有的黄金都带回了自己家，并根据每家上交的黄金数量，分发了等量的写在上面的纸。 这时候，村民们就可以把这些纸当作黄金来交易了，老村长的话大家都能认出来，其他人就无法伪造了。 另外，如果有人的纸磨损得太厉害，也可以从老村长那里拿来换取等值的新纸。 另外，老村长承诺，谁要换真金，只要把纸拿回来，老村长就会还给他们。 将等值的黄金还给该男子。 因为老村长写的纸上的金子和家里实际放的金子数量是一样的，所以只要严格按照废纸新纸多写新的原则，每一个有效的纸片随时可以换取相应的真金。

此时，比特村进入了符号货币（纸币）时代。 老村长承担了政府和银行的职责。

中央系统虚拟货币

几年后，老村长每天都要核对大量的旧钞票，写新钞票，认真记账各种账目。 一来二去，老村长劳累过度，不幸驾车西行。

比特村再次召开全体会议，商讨对策。 这时，老村长的儿子二狗子自告奋勇接过父亲的笔，承担起发行货币的重任。 年轻的村长二狗子很聪明。 他工作了几天，发现其实并不需要写那么多论文。 完全可以这样：村民们把纸币全部上交销毁，但是二狗子会记录每户上交的纸币数量。 如果以后要付钱，比如老张要跟老李换一克黄金换一只羊，他就把二狗子一起叫来，说明要转老张手下的1克黄金以老李的名字命名。 ，二狗子拿出账本，看看老张名下有没有一克黄金，如果有，老张名下减去一克，老李名下加一克，付款就完成了。 这时，老李听到二狗子在电话里确认转账已经完成，这才放心让老张把羊带走。

此时，比特村已经进入了中央系统虚拟货币时代。 每个村民都不需要实物支付，支付过程变成了二狗子维护的账本上的数字变更。

分布式虚拟货币

新上任的二狗子很聪明，但有时聪明也被自己的聪明误会了。 一天，二狗子盯着账本，想着村里每户有多少钱我说了算，我岂不是……。 于是他就一时冲动，私自将老张账户上的十克黄金转到了自己的名下。

本以为完美，没想到老张也有记账的习惯。 有一天他正要付钱，二狗子却告诉他账户没钱了。 老张查了一下账本，还有十克，就拿着账本去找二狗子理论。 查了一下，发现是未经老张同意的转账。

发生了一些事！ 比特村炸了。 二狗子被弹劾在所难免，但通过这件事，大家发现了中心化账本掌握在一个人手中的弊端：

就在人们一头雾水之际，村里一位名叫中本聪的宅男科学家走上台告诉大家，他设计了一种不依赖任何中央处理器的虚拟货币系统比特币，可以解决上述问题。 然后他慢慢地描述了他的计划。

我们来看看中本聪是如何设计这个系统的。

基础设施建设

图书披露机制

Satoshi Nakamoto首先说明现有的账本应该修改如下：

账本不再记录每个村民的余额，只记录每一笔交易。 即记录每笔交易的付款人、收款人和付款金额。 只要确定了账本的初始状态，并且每笔交易记录都是可靠的、及时的，就可以计算出每个人目前持有多少钱。

账簿由私有变为公开。 只要有村民需要，都可以获得当前完整的账本。 账簿记录了从创建账簿到现在的所有交易记录。

此话一出，下面立刻炸锅了。 第一个无所谓，但是第二个简直不能接受比特币运营模式，因为账本上记录着村民的所有交易，所以大家的隐私并没有完全暴露。

中本聪不紧不慢地拿出一对奇怪的东西。

身份和签名机制（公钥加密系统）

中本聪说，不要惊慌。 在他的机制下，没有人使用真实身份交易，而是使用唯一码交易。

他炫耀着手中的神奇之物，说这两样东西分别叫做保密印章和印章扫描仪。 以后，他还要给村里的每户人家发保密印章和印章扫描仪。 两者的工作方式如下：

有了这两个神奇的东西，每个人都可以在不暴露真实身份的情况下进行交易，而封印中隐藏的那一串字符，就是这个家族的代号。 下面将详细介绍如何巧妙地使用机密印章和印章扫描仪进行交易。

建立虚拟矿工组织（矿工组）

下一步，中本聪从全村招募虚拟矿工。 招聘要求如下：

很快，大约五分之一的村民加入了比特币矿工组织，他们分成了七个小组。

建立初始账本（创世块）

接下来，中本聪宣布，首先根据二狗子手中的账本，按照账本上记载的余额，将抵押的黄金全部归还给每个村民，然后彻底销毁账本。

接着，中本聪拿出一本新的账本，在账本的第一页记录了一些交易记录。 尤其是，这些记录的付款人一栏都是“系统”，收款人是每个印章对应的隐藏字符，代表初始时刻。 系统默认给每户分配一定数量的比特币，但是​​数量很少，只有几家，甚至有些倒霉的村户也没有拿到比特币。

随后中本聪表示，由于目前市场上的比特币很少，大家可以回到黄金作为货币的时代。 由于我不是村长，我无权强制所有人承认比特币。 每个人都可以自己决定。 不接受比特币。 但是随着比特币的流通和矿工的活跃，比特币会逐渐增加。

支付与交易

铺垫了那么多，终于进入正题了。 先说说在这样的系统下如何完成支付。 以老张付给老李10个比特币为例。

付款人签署交易单

为了支付10个比特币，老张首先需要向老李要标识串，比如“ABCDEFG”，而老张也有标识串比如“HIJKLMN”，然后老张写了一个列表，内容就是“HILKLMN支付了10个比特币给ABCDEFG”，然后用自己的保密印章换了一个印章，把这份名单交给了老李。 另外，为了便于追溯资金来源，还需要在清单中注明资金来源记录在哪一页。 比如这个列表中，老张的10个比特币来自系统在建立账本时的赠送，记录在账本的第一页。

收款人确认单据签署人

老李拿到表格后，需要确认表格确实是“HIJKLMN”（即老张）这个人的签名。 这并不难。 因为表格上肯定有保密印章，所以老李拿出印章扫描仪扫描了印章。 如果液晶屏上显示的字符与付款人的字符一致（此处为“HIJKLMN”），则可以确认表格确实是付款人的签名。 这是因为根据保密印章的机制，其他人无法伪造印章，任何人扫描印章都可以确认名单的付款人是否与盖章的人相同。

收款人确认付款人余额

这个系统还是很有问题的。 通过保密印章，收款人虽然可以确认付款人确实在表格上签字，但无法确认付款人是否有足够的余额支付。 在之前的中央虚拟货币系统中，二狗子负责检查付款人的余额，并通知收款人交易是否有效。 现在二狗子开通了，谁来负责记账，确认每笔交易的有效性？

之前说过，中本聪设计的系统是一个分布式货币系统，不依赖任何一个中心化的人，所以不会有一个或几个人来负责这件事，最终还是由上面提到的矿工来承担。工作组织。 老张、老李和村里其他任何使用比特币进行交易的村民，都是靠矿工组织的劳动来完成交易的。

矿工的工作

矿工的工作是整个系统的核心，也是复杂度最高的地方。 下面逐步介绍矿工的工作内容和目的。

矿工工具

俗话说比特币运营模式，工欲善其事，必先利其器。 比特币矿工虽然不需要铁棍、铲子、探照灯等工具，但也有一些必备的东西。

初始账本。每组先自己复制一份初始账本，初始账本只有一页，记录系统的第一笔礼物

空账本纸。 每组有若干账本，每一页只有账本结构，没有内容可填，具体内容的书写规则后面会讲。下面是一张空账本，各字段的含义稍后提及

代码生成器（哈希函数）。 中本聪给矿工组织的各个小组分发了若干代码生成器。 这件事太神奇了。 将一张记有账本内容的账本纸放入机器，机器会在账本纸的“票号”中写入代码。 列自动打印一串由“0”和“1”组成的数字，一共256个。最神奇的是数字生成器有以下功能：

有了以上工具，矿工组织就可以开始工作了！

收集交易票

中本聪规定，每笔交易的发起人不仅要将交易单交给收款人，还要复印几张相同的交易单，投递到每个矿工群的收件箱中。

矿工团队的成员定期去他们的收件箱取出收集到的交易订单。

填写书籍

这时，小队里的人拿出了一本空账本，在“交易列表”栏中填入了这些交易，同时找到了当前账本的最后一页，将最后一笔的编号抄了下来。页面进入“最后的帐单编号”栏。 ”。注意这里还有一个“幸运数字”，可以填任何数字，比如12345。然后，把这样的账本纸放入数字生成器，打印数字，一个账本就完成了。

如果你认为矿工的工作就这么简单，那你就大错特错了。 中本聪有个变态的规定：只有数字的前10个数字全为0，这页账本才有效。

根据前面对号码生成器的描述，如果要修改号码，只能修改账纸的内容，但是“交易清单”和“最后的账纸编号”是不能随便改的，所以你只能改幸运号。 因此，为了生成有效的账本纸，组内的矿工不停地复制账本纸，但每张纸的幸运数字都不一样，然后反复将纸放入编码器中。 如果生成的数字不符合规定，那张纸就算没用了，重复这个过程，直到生成一串有效的数字。

我们知道，如果号码的每一个数字都是随机的，那么平均写1000多张不同幸运数字的纸，就可以得到一个有效号码。

这就奇怪了，这些矿工为什么要拼命做这种看似毫无意义的事情呢？ 记得我说过矿工是有报酬的，这就是矿工的动机。 中本聪规定，每张账本纸的交易列表中的第一笔交易是“系统支付50个比特币给这一组”。 换句话说，如果你生成了一个有意义的账本，并且被所有挖矿团队接受，那么就意味着这笔交易也被接受了，你的挖矿团队获得了50个比特币。

这就是为什么矿工被称为矿工，以及为什么说比特币的数量会随着交易和矿工的活动而不断增加的原因。 比如下面是一个挖矿过程。 该小组的公共比特币账户是“UVWXYZ”。

当幸运数字达到“533”时，系统生成有效账簿。

书籍确认

当一个挖矿组有幸生成一个有意义的账本时，为了获得奖励，它必须立即要求其他组确认他们的工作。 前面说了，目前村里有7个矿工组，所以这个组要复印6份有效的账本，发给另外6个组确认。

中本聪规定，当一个团体收到其他团体发送的账本纸时，必须立即停止手头的挖矿工作，以确认账本。

需要确认三项信息：

账号有效

户口本上一页有效

交易清单有效

先看第一个，这个确认比较简单。 只要将发送的账簿纸放入发码器进行验证，验证通过即为号码有效。

第二部分需要将账本页上的“上一账本页码”与本组当前保存的有效账本的最后页码进行比对。 如果相同，请确认。 如果不同，则需要沿着已有的账本向前比较，直到找到这个编号的页。 如果找不到与指定的“最后一本书的论文编号”对应的页面，则该团队将丢弃该页面。 还没有确定。

注意，上面的机制可以保证，如果每个组手里的账本纸是一样的，那么都可以按照相同的顺序，绑定到同一个账本上。 因为下一张纸的编号总是取决于上一张纸的编号，所以代码生成器的机制保证了所有合法帐户纸的相对顺序在每组中都是相同的（可能有分支，但它们会不出现环，后面会详细介绍）。

最后，如何确认交易单是否有效，其实就是确认当前每笔交易的付款方是否有足够的余额来支付这笔钱。 由于交易信息包括钱是怎么来的，所以它还包括记录来源交易的账单号码。 比如HIJKLMN要给ABCDEFG 10个比特币，说明这10个比特币来自OPQRST之前支付给HIJKLMN的一笔交易。 确认时首先要确认之前的交易是否存在，同时检查HIJKLMN在这之前的10个比特币没有支付给其他任何人。 这些都确认之后，交易的有效性就确定下来了。

第一个是系统奖励给生成这页账簿的组的50。 默认情况下识别此事务。 只要按照上述方法追溯后续交易，就可以确认HIJKLMN目前是否真的有10个比特币支付给ABCDEFG。

如果上述验证全部完成并通过，本集团将认可上述账本的有效性，然后将本账本纳入本集团主账本，放弃当前正在进行的工作，后续挖矿工作将根据本书更新的总账进行。