比特幣跟區塊鏈的關系(從比特幣了解區塊鏈技術)

區塊鏈技術不同于大數據與云計算等信息技術，它的原理更加復雜且會涉及到密碼學原理。為了更清楚地描述區塊鏈技術，我們先從比特幣這個區塊鏈技術最初也是最典型的應用實例講起，其交易機制可以幫助大家更好地理解區塊鏈的運行原理。北京木奇移動技術有限公司，專業的區塊鏈技術開發公司，歡迎交流合作。

其作為一種沒有權威機構背書的虛擬貨幣，若想要保證交易可信，成為被大家認可的貨幣，必須解決信用背書與發行、交易確認和賬戶管理三個主要問題。

（1）比特幣發行原理

比特幣依靠區塊鏈技術原理背書，或者也可以說它不需要背書，因為一切信息公開透明且不可篡改的技術特點使其脫離了需要信用背書以確保可信的約束。比特幣交易系統在開始運行后就不再收到創始人的管控，幾乎沒有人能夠改變這個交易系統中的數據，這種奇妙的運行機制還要從它的發行方式講起。

比特幣的發行是通過‘挖礦’來完成的，比特幣用戶節點參與維護比特幣網絡的行為需要被激勵，激勵的手段就是向其發放比特幣。而這種激勵手段在比特幣被認可后變得非常有誘惑力，很多比特幣用戶節點都會愿意為此做出維護行為，但維護行為的需求是有限的，那么到底挑選誰來進行這次維護呢？挖礦機制由此產生。所謂‘挖礦’其實是一種利用計算機硬件進行數學運算的行為，是比特幣網絡挑選單次網絡維護（記賬）節點的一種手段，誰在最短的時間內計算出了正確的結果，誰就擁有此次記賬的權利，并將在記賬完成后獲得比特幣作為激勵。用戶在進行挖礦計算時需要投入很多的成本，包括硬件成本、時間成本、電力成本等，比特幣網絡使用的這種用‘挖礦’來挑選網絡維護節點的機制，被稱為POW(工作量證明)機制。

在理解了網絡維護人的挑選機制后，比特幣網絡維護原理也就容易理解了。比特幣網絡中的每次交易都會帶來一條新的交易數據，而同時交易方會在網絡中進行廣播，當其他用戶收到了廣播后基于將把交易數據記錄在信息池中，當信息池中占用的空間達到1M后，交易數據會被打成一個含有驗證簽名（數學運算結果）的數據包，即區塊。區塊中的驗證簽名是基于POW機制下的計算結果生成的，且包含了對前一區塊的驗證簽名的驗證，那么每一個區塊都有唯一確定的前一個區塊，即所有區塊都是有前后順序的。這些區塊按照時間順序串聯記錄在每個用戶的本地存儲空間中，形成鏈狀的數據存儲結構，即賬本。每段時間新產生的區塊由被POW機制選出來的網絡維護節點（記賬節點）來進行串聯操作（記賬），并廣播給所有用戶節點使其驗證并添加這個新區塊，以保證網絡中的所有節點有相同的數據記錄。

現在我們互補了解比特幣系統的基本交易機制了，即所有用戶都擁有相同的鏈狀數據記錄，并且新的數據會由pow機制選擇記賬節點進行記賬并廣播進行全網同步。那么在這種以算力強弱來決定誰記錄數據的交易機制下，若惡意節點想要篡改某一個區塊的數據，它必須在很短的時間內，把篡改目標區塊以及之后所有的區塊都重新計算一遍驗證簽名，再把新生成的賬本同步給其他人。又因為比特幣網絡中規定最長鏈才是正確的鏈，所以惡意節點還必須在趕上現有區塊的高度的同時，讓自己篡改后的賬本成為最長鏈，誤導其他用戶節點認為其新賬本是正確的賬本。而在惡意節點進行這些計算和操作的同時，其他礦工們已經在原鏈上繼續向后記賬了，且就算其達到這些要求，其新賬本還需要其他節點驗證通過才能成功進行賬本同步。這幾乎是不可能辦到的事情，而且即使擁有了絕對優勢的算力，那么只需要在比特幣網絡中進行常規挖礦就可以壟斷比特幣的發行權，進行篡改等欺詐行為只會使比特幣系統崩潰進而導致比特幣的信用瓦解，這種行為的收益與付出極度不匹配，因此從技術角度之外的效用角度來講，比特幣系統也是安全、不可篡改、不需要第三方背書的。

（2）交易確認

現實中的轉賬交易都是有由銀行這個核心節點來進行交易確認的，那么在比特幣這個依靠所有節點共同進行維護的系統網絡中，交易的確認就成了比特幣交易的一個技術重點。

在比特幣網絡中，只有最終記錄在主鏈上的交易才是有效的交易。每一筆交易都需要進行全網的確認，驗證失敗的異常交易數據會被直接丟棄，而通過驗證的交易數據則會被節點記錄在信息池中，然后形成區塊。但由于復雜的網絡拓撲結構，每個節點新生成區塊中的交易順序或交易集合可能不同，基于前文關于挖礦的介紹可知，只有記賬節點可以進行記賬操作，以確定唯一的區塊。但有網絡延遲的情況下，還有可能出現節點同時收到兩個有效區塊的情況，這時節點的賬本將呈Y字型分叉，同時在這兩個分叉上記錄后面的數據，直到一條分叉先達到一定的長度的被選為主鏈，而另一條分叉將自動被舍棄。

在經歷了反復的確認與篩選后，交易數據才會最終出現在主鏈上，完成交易確認的過程。這往往會經歷比較長的時間，包括數據傳輸、數據驗證等的較短時間與挖礦計算與分叉篩選等的較長時間，平均在十分鐘左右。因此交易確認時間過長的是比特幣的一個缺點，它使比特幣難以進行實時支付，而縮短交易確認時間也成為了區塊鏈技術發展的重要方向。

（3）賬戶管理

紙幣不存在賬戶管理的問題，因為它是有實體的，誰持有紙幣實體，紙幣就自然歸屬于誰，但在電子信息時代，賬戶管理是一個復雜的問題。對于銀行來說，每個賬戶都與客戶的身份信息聯系在一起，客戶通過身份核驗后作為該賬戶唯一對應的所有人，通過銀行卡、信用卡、手機銀行等媒介發起這個賬戶的支付指令，而這個賬戶的余額、交易記錄等信息一般被存儲在銀行的多個數據庫中進行備份，以免出現意外的情況。而對于比特幣來說，賬戶與用戶的真實身份無關，賬戶也不包含任何交易或余額信息，只有一對公鑰和私鑰。公鑰與私鑰的概念涉及到密碼學知識，這里只需知道私鑰可以計算出公鑰，公鑰不能反推私鑰，但可以驗證私鑰是否與自己匹配。

比特幣網絡在進行登錄與交易時，需要驗證的就是賬戶的私鑰，私鑰是用戶對賬戶所有權的唯一證明。那么一個人可以擁有多個比特幣賬戶，只要記住每個賬戶的私鑰即可。而賬戶名又稱賬戶地址，是由賬戶的公鑰進行運算推導后，得出的一串數字地址，有了對方的賬戶地址后就可以對其發起交易，或是查詢其交易記錄等。這么看來，可以將比特幣賬戶的公私鑰理解為用戶名和密碼，只是用戶名可以由密碼計算推導出來，用戶名又可以獨立對密碼進行驗證，而對外公開的賬戶名又是依據用戶名推導出來的。

除了賬戶驗證方式不同之外，比特幣并不單獨記錄賬戶余額，每次查詢賬戶余額都基于之前的交易記錄重新計算得出。因為一個用戶可以擁有無數個比特幣賬戶，那么比特幣賬戶的總量可能是無限大的。而如果想要保存每個賬戶的余額，基于前面所講的比特幣網絡運行原理，就需要在每個用戶節點的賬本中都實時記錄所有賬戶的余額，也就是說每一個區塊里都要有當前所有賬戶余額的數據。這將占用區塊的很多空間，且在驗證區塊的時候需要對每個賬戶的余額進行追溯驗證，這將大大降低區塊的驗證效率。既然比特幣網絡中的每一個節點都有相同的全部交易記錄，那么只需在本地對此賬戶的全部交易進行追溯和計算，就可以得到其當前的賬戶余額信息。當然基于節點本地的交易記錄可以測算出很多信息，但這并不代表比特幣的隱私安全出現問題，因為這些賬戶是完全匿名的，很難通過一個賬戶的交易記錄鎖定現實中的人，當然這種匿名的信息安全性也為洗錢等非法活動提供了溫床，這是比特幣的一大社會問題。