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比特币介绍

历史

比特币(bitcoin)由中本聪于2009年提出并开源。它具有分布式、去中心化、加密数字化等特点，采用工作量证明机制解决共识问题，所以，它又是安全的。
它诞生与全球经济危机（2008年）时期，是奥地利经济学派观点的实践。

比特币定义

通常所说的比特币指的是一种加密数字货币，由比特币网络发行（实际是给矿工的奖励）、并在比特币网络上流通。数字签名是目前数字货币的首选方案，其可以有效验证货币所有权。对于双清问题，比特币采用工作量证明机制解决双清问题。

交易

交易是参与者之间价值转移的过程。
比特币交易的基础单元是交易输出。未被使用的输出被称为UTXO。一个UTXO是最小的不可分割的。一个UTXO是一聪(satoshi)的任意整数倍。

密钥及比特币地址

比特币采用公钥加密方案对交易进行签名，算法为椭圆曲线乘法算法。交易通常会包含一个公钥、数字签名和地址。

私钥、公钥、比特币地址三者间关系，如下图：

[图片上传失败...(image-31ce69-1520689362124)]

私钥

比特币对私钥并没有强制规定。用户可以自行选择私钥。私钥目前是一个256位的数字，通常从一个安全的随机数序列中产生。加密安全的伪随机数生成器推荐使用CSPRNG。生成一个私钥的通常流程为：选择随机数生成器->选择随机数种子->生成一个随机数->SHA256哈希算法生成256位的数。

使用比特币客户端生成私钥的方法如下：

$ bitcoin-cli getnewaddress
1J7mdg5rbQyUHENYdx39WVWK7fsLpEoXZy
$ bitcoin-cli dumpprivkey 1J7mdg5rbQyUHENYdx39WVWK7fsLpEoXZy
KxFC1jmwwCoACiCAWZ3eXa96mBM6tb3TYzGmf6YwgdGWZgawvrtJ

或者使用bitcoin explorer的cli工具:

$ bx seed | bx ec-new | bx ec-to-wif
5J3mBbAH58CpQ3Y5RNJpUKPE62SQ5tfcvU2JpbnkeyhfsYB1Jcn

比特币私钥通常使用WIF(Wallet Import Format)显示私钥。

公钥

Public Key是从私钥计算而来的，计算方法采用椭圆曲线密码学的第二个标准secp256k1。

生成公式：

K = k * G

k为私钥。K为生成的公钥。G为预定义的点（被称为generator point G）。k * G生成曲线上的另外一个点，该点即为公钥K。

比特币地址

根据公钥生成的比特币地址以数字1开头。生成公式为：

A = RIPEMD160(SHA256(K))

上述公式生成的地址A为160位，共20个字节。比特币通常使用Base58Check编码格式编码比特币地址A。

Base58的详情信息参见链接。

Base58Check的过程如下：

Bitcoin Address = PREFIX + A + Checksum

checksum = sha256(sha256(PREFIX + A)

prefix定义

私钥的编码格式

密钥和地址强化

加密密钥

BIP-38标准是一个通用的私钥加密标准。它使用AES加密算法。用户需要提供私钥和一个passphrase。BIP-38标准生成的私钥以6P开头。

P2SH和多签名地址

P2SH全称为Pay-to-Script Hash，又称为Multisig Addresses（多重签名地址），地址前辍为3。目前，最为普遍的P2SH功能应用是多签名地址脚本。这种脚本要求用户提供一到多个签名来证明控制权(Ownership)，然后才可以花费这笔资金。

生成P2SH地址的过程一般如下：

graph LR
    A[script]-->B(script-encode)
    B --> C(sha256)
    C --> D(ripemd160)
    D --> E(base58check-encode)

代码示例如下

$ echo \
'DUP HASH160 [89abcdefabbaabbaabbaabbaabbaabbaabbaabba] EQUALVERIFY CHECKSIG' > script
$ bx script-encode < script | bx sha256 | bx ripemd160 \
| bx base58check-encode --version 5
3F6i6kwkevjR7AsAd4te2YB2zZyASEm1HM

靓号地址(Vanity Addresses)

靓号地址是一个有效的比特币地址，它含有一部分有意义的信息。如地址1LoveBPzzD72PUXLzCkYAtGFYmK5vYNR33。该地址包含词"Love"。

纸钱包

所谓纸钱包就是把私钥和地址打印一张纸上。这是一种廉价的离线存储手段。离线存储的钱包也叫冷钱包。直接将私钥原样做成纸钱包并不安全（盗贼）。通常，冷存储的是BIP-38加密过的私钥。这就要求用户要记住一个passphrase或将passphrase另行存储。

钱包

钱包(wallet)是一个应用程序，用于管理密钥、地址，跟踪余额以及签名交易。
从技术的角度来看，钱包是一种数据结构，用于存储和管理用户的密钥。

小提示：比特币钱包并不含有比特币，他只包含密钥。所谓的币是记录在比特币网络的区块链里的，'币'是交易输出的一种形式（通常称为vout或txout）。

钱包有两种类型：非确定性钱包和确定性钱包。区分的标准是密钥间是否有关联。

非确定性钱包里的密钥们没有相关性，是独立的。

确定性钱包里的密钥由一个主私钥衍生而来（被称为seed，即种子）。最常见的实现方式是一种类树状结构，被称为分层确定性钱包（HD wallet），标准为BIP-32/BIP-44。

确定性钱包从一个种子初始化而来。为便于使用，种子通常编码为英文单词，又称助记码（Mnemonic Codes，标准为BIP-39）。

现在，基本上都是HD钱包了，除了Bitcoin core。

钱包最佳实践

• 基于BIP-39的助记码
• 基于BIP-32的HD钱包
• 基于BIP-43的多用途HD钱包
• 基于BIP-44的多币种、多帐号钱包

助记符(BIP-39)

BIP-39是助记码的当前工业标准。它是Trezor硬件钱包公司提出的。目前，BIP-39有两个实现版本：Trezor版本和Electrum钱包。两者因为使用不同的词典集合而不能互通。

助记符生成示例如下

$bx mnemonic-new ea3138a05e18f4f68f345a40b0e4e264
tuition mean chimney rotate monster kitten devote mercy doll mango decade since

交易

交易是比特币系统最重要的部分。系统的其他部分都是为了保证交易的创建、验证以及记入全球帐薄。

交易输出和输入

比特币交易的基石是交易输出(vout)。交易输出是不可分割的比特币货币（类似于有面额的纸币），记录在区块链上并由全网络验证有效。比特币全节点跟踪所有的可用、可花费的输出，这些输出被称为UTXO(未花费的交易输出)。

原始的交易解码后，一般是下面样子：

{
  "version": 1,
  "locktime": 0,
  "vin": [
    {
      "txid": "7957a35fe64f80d234d76d83a2a8f1a0d8149a41d81de548f0a65a8a999f6f18",
      "vout": 0,
      "scriptSig" : "3045022100884d142d86652a3f47ba4746ec719bbfbd040a570b1deccbb6498c75c4ae24cb02204b9f039ff08df09cbe9f6addac960298cad530a863ea8f53982c09db8f6e3813[ALL] 0484ecc0d46f1918b30928fa0e4ed99f16a0fb4fde0735e7ade8416ab9fe423cc5412336376789d172787ec3457eee41c04f4938de5cc17b4a10fa336a8d752adf",
      "sequence": 4294967295
    }
  ],
  "vout": [
    {
      "value": 0.01500000,
      "scriptPubKey": "OP_DUP OP_HASH160 ab68025513c3dbd2f7b92a94e0581f5d50f654e7 OP_EQUALVERIFY OP_CHECKSIG"
    },
    {
      "value": 0.08450000,
      "scriptPubKey": "OP_DUP OP_HASH160 7f9b1a7fb68d60c536c2fd8aeaa53a8f3cc025a8 OP_EQUALVERIFY OP_CHECKSIG",
    }
  ]
}

每一个区块的第一个交易被称为coinbase交易，即比特币网络给矿工的奖励。所以，coinbase交易是没有input的。

交易输出

交易输出包括两部分：

• 一定量的比特币，单位是聪（satoshis）
• 一个加密迷题（花费该UTXO的必要条件）,又被称为锁定脚本(locking script)、见证脚本(witness script)或scriptPubKey。

输出的序列化结构（开发人员关注）

交易输入

交易输入标识哪个UTXO将被消费（花出）并通过unlocking script证明其所有权。

其主要包含如下几部分：

• 一个交易id, txid
• 一个UTXO的索引(从0开始)
• 一个scriptSig，用于unlocking花费
• 一个序列号

示例如下:

"vin": [
  {
    "txid": "7957a35fe64f80d234d76d83a2a8f1a0d8149a41d81de548f0a65a8a999f6f18",
    "vout": 0,
    "scriptSig" : "3045022100884d142d86652a3f47ba4746ec719bbfbd040a570b1deccbb6498c75c4ae24cb02204b9f039ff08df09cbe9f6addac960298cad530a863ea8f53982c09db8f6e3813[ALL] 0484ecc0d46f1918b30928fa0e4ed99f16a0fb4fde0735e7ade8416ab9fe423cc5412336376789d172787ec3457eee41c04f4938de5cc17b4a10fa336a8d752adf",
    "sequence": 4294967295
  }
]

交易费

大部分交易是包含交易费的。交易费用于激励矿工维护比特币网络。交易费用是隐含在交易中的，其数值为Fees = Sum(Inputs) – Sum(Outputs)。

交易脚本

比特币的交易脚本(script)是一种类似于Forth语言的、逆波兰式、基于堆栈的语言。

比特币的脚本语言不是图灵完备的，不支持loop操作

比特币脚本语言是无状态的

比特币脚本语言简单，但并不友好。看起来，像是汇编语言

脚本构建

比特币交易验证引擎依赖于两种脚本：一个锁定脚本和一个解锁脚本。

锁定脚本通常称为scriptPubKey。解锁脚本通常称为scriptSig。

交易验证时，引擎执行流程是：scriptSig -> scriptPubKey。

示例如下：

[图片上传失败...(image-ec046-1520689362124)]

具体执行流程如下：
[图片上传失败...(image-ec5c92-1520689362124)]

数字签名

比特币使用的数字签名算法为ECDSA。该算法是一种公钥加密算法。

数字签名有三个作用：

• 所有权证明
• 授权是不可否认的（即交易一旦生成，不可否认）
• 一旦签名，则交易不可修改（或特定部分不可修改）

高级交易和脚本

隔离见证的核心部分

比特币网络

区块链

区块链数据结构是一种后向链接的有序链表。比特币客户端使用Google LevelDB存储区块链的元数据。

Block数据结构

Block Structure

区块头(Block Header)

区块标识 (Block Identifier)

Block的标识是一个哈希值(Hash)，使用sha256算法对区块头（Block Header）执行两次哈希操作而来。

创世区块的哈希值是：000000000019d6689c085ae165831e934ff763ae46a2a6c172b3f1b60a8ce26f

区块的Hash值并没有存储在区块上。当节点收到一个区块时，节点需要去计算该节点的Hash。

另一种标识则是区块高度（block height）。创世区块从0开始。一个区块一定有一个高度。但一个高度并不唯一对应一个区块。这涉及到区块竞争问题。常见场景是forks（即分叉）。Block Height也不是区块数据结构的一部分。节点需要在收到区块时计算。

创世区块(Genesis Block)

比特币区块链上的第一个区块被称为创世区块，创建于2009年。它是所有区块的祖宗。创世区块的UTXO是50BTC，至今未花。创世区块上写有一条信息（已经是非常出名了）："The Times 03/Jan/2009 Chancellor on brink of second bailout for banks."。

Merkle Tree

每一个区块均使用Merkle Tree记录该区块上所有交易的摘要。Merkle Tree生成过程如下图所示。
[图片上传失败...(image-79a62-1520689362124)]

区块上存储Merkle Tree Root节点的hash。每个节点的hash算法均为double-sha256。

SPV (Simplifiled Payment Verification)

SPV节点不需要全部的交易数据也不需要下载全部区块，只需要区块头数据即可。SPV节点使用merkle path来验证一个节点是否被包含在该区块内。

SPV节点验证交易A被包含于区块Block_b的基本过程如下：

1. SPV节点向向周边节点(peers)广播其感兴趣的交易（以bloom filter形式）
2. 当一个peer节点发现一条交易包含在bloom filter中，该节点则返回该区块（区块头和一条merkle path）
3. SPV节点使用merkle path验证交易A是否在Block_b中

merkle path如下图所示：
[图片上传失败...(image-26d469-1520689362124)]

如果要验证交易Hk是否包含在区块内，只需要获知H(L), H(IJ), H(MNOP),H(ABCDEFGH)这四个哈希值即可。

Merkle Tree的效率

比特币测试链(Test Blockchains)

比特币是有多条链的。由中本聪同学创建于2009年1月3日的区块链为主网络(mainnet)。还有其他测试目的的区块链：testnet(测试网络), segnet(隔离见证网络), regtest。

• testnet

testnet拥有主网络的所有特征。通常，testnet网络上的币是没有价值的（因为其挖矿难度比较低），但事实并非如此。因为总是有玩家使用asic来挖矿，从而导致测试网络挖币也是一件困难的事情。目前的解决方案是从一个新的创世区块重启测试网络，并重设难度。

目前的测试网络为testnet3（重启于2011年）。

bitcoind -testnet

• segnet

2016年，为了支持SegNet的开发测试，一个特定目的的测试网络启动。（目前已不再是必须的，因为segwit已经被testnet3引入）

• Regtest

本地区块链

$ bitcoind -regtest

挖矿和共识

挖矿是确保比特币去中心化安全性的机制。比特币是一种经济激励机制。

矿工负责验证新的交易并记录在全球帐薄上。挖出一个新区块的平均时间是10分钟。而记录在区块链上的交易则被认为是确认过的。

比特币的确认时间目前比较长，一个小时之上。

矿工有两种奖励：交易费和区块奖励。为了获得奖励，矿工需要解决一个数学难题。比特币采用PoW方案来解决这个难题（工作量证明-Proof-of-Work）。答案被记录在新区块中并作为一个凭据。该凭据可以证明矿工花费了一定的算力来解决这个问题。

这个过程称为挖矿，因为奖励（比特币发生成）旨在模拟收益递减，就像开采贵金属一样。比特币总量固定而且区块生成的比特币每四年或210000个区块减半。2009年一个区块奖励是50个比特币，2012年11月为25个比特币，2016年7月则为12.5个。到2140年，不会再有新的比特币生成。

目前，交易费只占矿工收入的0.5%。而随着奖励指数级下降，区块上的交易日渐增多，比特币矿业收入的更大比例将来自交易费用。

从发行上来看，比特币是具有通缩特性的。