第二節(jié) 通過比特幣理解區(qū)塊鏈

在比特幣網(wǎng)絡(luò)中，人與人之間的關(guān)系沒有并且不需要類似于銀行的中心機(jī)構(gòu)，那么，在一個(gè)沒有中心化機(jī)構(gòu)的情況下，比特幣是如何發(fā)行的？如何交易的？同時(shí)如何對交易進(jìn)行記賬的呢？

一、比特幣的發(fā)行機(jī)制

首先，規(guī)定了比特幣的發(fā)行機(jī)制。可以理解一下，比特幣網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)巨大的賬本，平均每10分鐘比特幣網(wǎng)絡(luò)誕生一頁的賬本，稱為“區(qū)塊”，每個(gè)區(qū)塊被打上時(shí)間戳，按照嚴(yán)格的先后次序連接起來形成一個(gè)賬本，稱為“區(qū)塊鏈”。比特幣網(wǎng)絡(luò)規(guī)定比特幣的總量為2100萬個(gè)，每個(gè)比特幣的產(chǎn)生伴隨著每一個(gè)區(qū)塊的產(chǎn)生，也就是每一個(gè)區(qū)塊的問世和發(fā)行。比特幣網(wǎng)絡(luò)還規(guī)定，最開始每個(gè)區(qū)塊的比特幣獎(jiǎng)勵(lì)是50個(gè)，然后每21萬個(gè)區(qū)塊減半一次。一直到2140年，所有的比特幣發(fā)行完畢。

21萬個(gè)區(qū)塊，算一算，平均每10分鐘出1個(gè)區(qū)塊，出21萬個(gè)區(qū)塊需要多久呢？在比特幣系統(tǒng)里面，打包一個(gè)區(qū)塊的時(shí)間大約是10分鐘。21萬個(gè)區(qū)塊就是每210萬分鐘，新幣的發(fā)行速度就會發(fā)生一次減半，換算成年呢，就是大約3.995年，約為4年。計(jì)算如下：

根據(jù)，每10分鐘1個(gè)區(qū)塊計(jì)算：

由此可知，比特幣每產(chǎn)生21萬個(gè)區(qū)塊區(qū)塊獎(jiǎng)勵(lì)減半一次，意味著比特幣網(wǎng)絡(luò)每4年的比特幣產(chǎn)量減半。2009年第一個(gè)區(qū)塊出現(xiàn)時(shí)，隨區(qū)塊產(chǎn)生了50個(gè)比特幣，2013年每個(gè)區(qū)塊產(chǎn)生25個(gè)比特幣，2017年每個(gè)區(qū)塊產(chǎn)生12.5個(gè)比特幣，按照這樣的趨勢，大約到 2040年，比特幣總數(shù)2100萬個(gè)將完全發(fā)行完畢，見下表。

二、區(qū)塊鏈的區(qū)塊高度

按照上面的計(jì)算可以知道，比特幣網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生21萬個(gè)區(qū)塊所需的天數(shù)，理論上需要1458.3天，也就是3.99年。這也就是大眾說的“比特幣每四年減半”的由來。比特幣第一次減半發(fā)生在2012年12月28日，當(dāng)日開始，比特幣的區(qū)塊獎(jiǎng)勵(lì)由一開始的50個(gè)比特幣變?yōu)?5個(gè)比特幣，而2016年7月8日開始，比特幣第二次減半，也就是每個(gè)區(qū)塊伴隨的比特幣獎(jiǎng)勵(lì)為12.5個(gè)。

怎么去計(jì)算現(xiàn)在的區(qū)塊是第多少個(gè)呢？人們是用“區(qū)塊高度”來計(jì)量的。所謂區(qū)塊高度是從比特幣誕生之后，最新的區(qū)塊是第幾個(gè)區(qū)塊。打開任意一個(gè)比特幣的區(qū)塊瀏覽器，可以看到現(xiàn)在出來的最新的區(qū)塊高度。通過區(qū)塊高度，可以計(jì)算大概還有多久比特幣會進(jìn)行下一次減半、多久會進(jìn)行難度的調(diào)整、多久會進(jìn)行一次大事件。如下圖所示，筆者當(dāng)前查看到的區(qū)塊高度是516463，即意味著比特幣網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)產(chǎn)生了516463個(gè)區(qū)塊。

三、比特幣價(jià)值傳遞機(jī)制

先看看現(xiàn)實(shí)生活中人們是怎樣轉(zhuǎn)賬給朋友的。

回顧一下第一章第一節(jié)提到的那個(gè)故事，小王給小李通過銀行卡轉(zhuǎn)賬了1000元，這個(gè)時(shí)候銀行會在小王的銀行賬號上進(jìn)行1000元的減法，在小李的銀行賬號上進(jìn)行1000元的加法，以完成這筆交易。整體過程大概是這樣的：一般小王會先讓小李把銀行卡號發(fā)給他。小王登錄銀行網(wǎng)銀，找到轉(zhuǎn)賬菜單，輸入小李的銀行卡號，然后再輸入金額1000元，屏幕上可能會顯示若干元的轉(zhuǎn)賬手續(xù)費(fèi)，這時(shí)候小王點(diǎn)擊確定，然后提交給銀行后臺去處理。銀行處理完畢，小王的賬戶會減少1000元，小李的銀行卡賬戶里會增加1000元。

比特幣是如何進(jìn)行交易和轉(zhuǎn)賬的呢？

對于比特幣的交易，首先的轉(zhuǎn)賬交易會經(jīng)歷一系列的過程。以小王給小李轉(zhuǎn)賬1個(gè)比特幣為例，對其過程進(jìn)行說明。

1）轉(zhuǎn)賬發(fā)起人向區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)發(fā)送交易請求。

在比特幣網(wǎng)絡(luò)中，比特幣網(wǎng)絡(luò)發(fā)布交易請求的過程和現(xiàn)實(shí)生活進(jìn)行網(wǎng)銀轉(zhuǎn)賬的方式比較類似，發(fā)布交易請求包含如下步驟：

第一步，登錄比特幣錢包。比特幣錢包類比為銀行卡的網(wǎng)銀。

第二步，選擇轉(zhuǎn)出方的比特幣錢包地址。錢包地址相當(dāng)于銀行卡號，選擇轉(zhuǎn)出方的比特幣錢包地址也就是選擇從自己哪個(gè)比特幣地址進(jìn)行轉(zhuǎn)賬，類似于選擇自己轉(zhuǎn)出的銀行卡賬號。錢包地址就相當(dāng)于實(shí)體錢包里的一張張銀行卡，這個(gè)地址符號是一長串30位大小寫字母和數(shù)字組成的字符串，有點(diǎn)像銀行卡賬號。

第三步，輸入對方的比特幣錢包地址。對方的錢包地址相當(dāng)于對方的銀行卡號。

第四步，輸入轉(zhuǎn)賬數(shù)額和手續(xù)費(fèi)后提交。輸入轉(zhuǎn)賬的數(shù)額以及轉(zhuǎn)賬的交易手續(xù)費(fèi)金額，簽上比特幣簽名，提交給比特幣網(wǎng)絡(luò)，然后就等待這筆交易被打包處理了。

2）參與到比特幣網(wǎng)絡(luò)上的礦工對交易的有效性進(jìn)行驗(yàn)證，如果驗(yàn)證通過，這筆交易將和其他驗(yàn)證通過的交易一起被共同打包到一個(gè)區(qū)塊中。

這里需要注意的是，和人們使用銀行轉(zhuǎn)賬所不同的是，轉(zhuǎn)賬的手續(xù)費(fèi)不是固定不變的，而是用戶可以自行確定轉(zhuǎn)賬手續(xù)費(fèi)是多少，甚至可以選擇不給轉(zhuǎn)賬手續(xù)費(fèi)。如果不給手續(xù)費(fèi)，可能不會被礦工記賬確認(rèn)，或者比較晚或延遲被礦工確認(rèn)。

3）為了將新的區(qū)塊連接到區(qū)塊鏈的尾部，礦工基于PoW機(jī)制，利用算力，競相解答“數(shù)學(xué)難題”。最先解答出“數(shù)學(xué)難題”答案的礦工，如果其工作量被其他礦工確認(rèn)，則該礦工將獲得記賬權(quán)，同時(shí)獲得該新生區(qū)塊所對應(yīng)的比特幣獎(jiǎng)勵(lì)。

當(dāng)一個(gè)用戶給比特幣網(wǎng)絡(luò)提交了轉(zhuǎn)賬的請求后，需要等著礦工來打包處理。比特幣網(wǎng)絡(luò)規(guī)定，競爭計(jì)算能獲得新生的比特幣獎(jiǎng)勵(lì)，誰通過競爭記賬獲得了記賬權(quán)，誰就可以獲得該交易的手續(xù)費(fèi)。

比特幣網(wǎng)絡(luò)每10分鐘有一個(gè)區(qū)塊產(chǎn)生，就類似于每10分鐘有一道數(shù)學(xué)題被丟到網(wǎng)絡(luò)中，大家比賽看誰算得快，誰最先計(jì)算出正確答案，誰就算挖出了這個(gè)區(qū)塊，并獲得了區(qū)塊獎(jiǎng)勵(lì)。它記錄本區(qū)塊也就是本頁賬單，大家都要以此為準(zhǔn)。緊接著，大家在這個(gè)區(qū)塊也就是這一頁賬單的基礎(chǔ)上，爭奪下一個(gè)區(qū)塊也就是下一頁賬單的記賬權(quán)。通過這種方式，比特幣解決了在一個(gè)去中心化的體系下賬本的唯一性的權(quán)益。

他把比特幣的發(fā)行和競爭記賬綁定在了一起，記賬的人每獲得一次記賬權(quán)，就會獲得系統(tǒng)產(chǎn)生的新的比特幣作為獎(jiǎng)勵(lì)。也就是說，算得最快的計(jì)算機(jī)就會“挖”到一定數(shù)量的比特幣。在每一輪競爭記賬中，誰獲得記賬權(quán)，誰就獲得這一個(gè)區(qū)塊里新誕生的比特幣獎(jiǎng)勵(lì)和被記錄在賬單里的交易手續(xù)費(fèi)。所以，礦工有兩個(gè)收入來源：一個(gè)是新生區(qū)塊獎(jiǎng)勵(lì)；另一個(gè)是區(qū)塊被記錄在區(qū)塊里面的所有交易的交易手續(xù)費(fèi)。

比特幣現(xiàn)在的每個(gè)區(qū)塊大小是1MB，大概能容納1000筆交易。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)賬的人比較少時(shí)，等待礦工確認(rèn)可能只需要等10分鐘，就能被下一個(gè)區(qū)塊確認(rèn)了。如果當(dāng)前轉(zhuǎn)賬的人比較多，則可能要排隊(duì)，多等一個(gè)10分鐘，甚至更長時(shí)間。礦工們會不斷地從等待記錄的轉(zhuǎn)賬交易里面去選擇手續(xù)費(fèi)比較高的轉(zhuǎn)賬信息來進(jìn)行記賬，如果手續(xù)費(fèi)不排在前面，則可能就要排在很后面才能夠記賬了。

通過這樣的設(shè)計(jì)，中本聰使得比特幣的發(fā)行、記賬和轉(zhuǎn)賬等環(huán)節(jié)環(huán)環(huán)相扣，使得整個(gè)體系能夠自發(fā)運(yùn)轉(zhuǎn)起來。

4）新生的區(qū)塊被確認(rèn)后，成功連接到區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中，而其他比特幣節(jié)點(diǎn)對其區(qū)塊上的交易信息進(jìn)行同步。

5）轉(zhuǎn)賬的收款方最終收到轉(zhuǎn)賬發(fā)起方的1個(gè)比特幣。

四、工作量證明機(jī)制和最長鏈機(jī)制

下面再來看看，為什么說比特幣的區(qū)塊鏈賬本是無法被篡改呢？這里說的篡改是網(wǎng)絡(luò)中為了弄虛作假而對賬本進(jìn)行惡意修改。這一點(diǎn)由比特幣采用工作量證明機(jī)制和最長鏈機(jī)制來保障。

在前面，提到過比特幣的共識機(jī)制是“PoW機(jī)制”，是一種對在差不多時(shí)間內(nèi)發(fā)生的事務(wù)的先后順序達(dá)成共識的一種算法。PoW簡單理解就是一份證明，用來確認(rèn)你做過一定量的工作。監(jiān)測工作的整個(gè)過程通常效率是非常低的，而通過對工作的結(jié)果進(jìn)行認(rèn)證來證明完成了一定工作的工作量，是一種非常高效的方式。比如現(xiàn)實(shí)生活中的畢業(yè)證、駕駛證等，也是通過檢驗(yàn)完成了一定知識的學(xué)習(xí)或者駕駛過一定時(shí)間的汽車來證明你的技能的，也就是說通過這個(gè)結(jié)果證明曾經(jīng)做過這件事、曾經(jīng)耗費(fèi)過所謂的工作量。

PoW的特點(diǎn)，對于執(zhí)行的一方來說難度是適中的。對于驗(yàn)證方來說是非常容易被驗(yàn)證的。礦工們進(jìn)行哈希驗(yàn)算時(shí)，可以理解為是一種數(shù)學(xué)的游戲。獲得正確答案，就會獲得記賬權(quán)，其他節(jié)點(diǎn)經(jīng)過非常簡單的驗(yàn)證之后，就可以同意其記賬，并同步賬本。打上時(shí)間戳后，緊接著進(jìn)行下一輪算力競賽。

比特幣區(qū)塊鏈中有一個(gè)“默認(rèn)設(shè)定”，當(dāng)由于新區(qū)塊生成或者網(wǎng)絡(luò)傳播延遲等原因造成區(qū)塊鏈產(chǎn)生分歧的狀況時(shí)，因?yàn)樵诒忍貛诺木W(wǎng)絡(luò)里大家認(rèn)為最長的鏈才是正確的鏈，網(wǎng)絡(luò)上的多數(shù)人合意的結(jié)果一定會選擇最長的那條區(qū)塊鏈，這就是比特幣的最長鏈機(jī)制。如果這時(shí)候有人想把某個(gè)區(qū)塊高度上的某個(gè)交易信息進(jìn)行修改，需要做什么呢？他需要從這個(gè)區(qū)塊開始把之前所有的區(qū)塊都重新計(jì)算一遍，再把賬本同步給其他人。而在進(jìn)行計(jì)算的同時(shí)，其他礦工們已經(jīng)在原來的鏈上繼續(xù)往前進(jìn)行計(jì)算了。這個(gè)惡意篡改的人，需要在很短的時(shí)間內(nèi)趕上現(xiàn)有區(qū)塊的高度，讓自己的這條區(qū)塊鏈成為最長的鏈，讓其他礦工誤以為這是正確的賬本。

由于最長鏈機(jī)制的存在，除非這個(gè)惡意篡改的人擁有非常大的算力，至少超過50%，否則基本上沒有可能進(jìn)行這樣的篡改。那么算一筆賬，現(xiàn)在全網(wǎng)算力是27.38 EH /秒，大概就是每秒進(jìn)行27.38×10¹⁸次計(jì)算，現(xiàn)在流行的主流礦機(jī)大概按每一臺的算力是40TH/秒左右。如果想擁有全網(wǎng)51%的算力，則需要至少40萬臺最新的礦機(jī)，一臺礦機(jī)價(jià)格按照20000元計(jì)算，光是設(shè)備這一項(xiàng)就需要投入80億元人民幣。況且，最新的礦機(jī)生產(chǎn)趕不上銷量，經(jīng)常處于買不到現(xiàn)貨的狀態(tài)。加上老礦機(jī)不斷被淘汰，算力不斷上漲。購置設(shè)備的速度很難趕上算力上漲的速度。從投資回報(bào)率的角度來說，這項(xiàng)投資的成本需要至少80億元人民幣，如果在沒有一定的投資回報(bào)的情況下，一般人也不會有這個(gè)動力進(jìn)行算力攻擊的。從網(wǎng)絡(luò)大環(huán)境來看，前面也說過，由于去中心化的存在，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)非常警惕比特幣發(fā)生這樣的情況。

曾經(jīng)在網(wǎng)絡(luò)上出現(xiàn)有一個(gè)礦池的算力接近50%，后來大家就逐漸把自己的算力連接到其他礦池上。其實(shí)，從經(jīng)濟(jì)學(xué)的角度來說，這種51%的攻擊也是非常不科學(xué)的。試想一下，當(dāng)這個(gè)攻擊發(fā)生時(shí)，比特幣的區(qū)塊鏈得到了篡改，比特幣的價(jià)格將會變得一文不值。通過這個(gè)篡改獲得的利益也會受到很大的損失。總之，想篡改比特幣賬本，簡直是比登天還要難，同時(shí)也無利可圖。

挖礦交易（Coinbase交易）

通過UTXO結(jié)構(gòu)，在比特幣世界里的每一筆交易都能夠追溯到上一筆交易，每一筆付款都可以追溯到上一筆收款。除非直接挖礦所得，提供1個(gè)比特幣，必須是從上一個(gè)交易得到的并且還沒有花費(fèi)的比特幣。一筆一筆往上追溯，可以追溯到該比特幣誕生時(shí)礦工挖出來的那個(gè)區(qū)塊。比特幣被礦工挖出來的那一筆交易是作為挖礦獎(jiǎng)勵(lì)發(fā)給礦工的，是比特幣的源頭交易，只記錄了輸出，沒有輸入信息。這一個(gè)特別的交易叫作挖礦交易。

UTXO實(shí)例

UTXO結(jié)構(gòu)在比特幣交易中是怎樣的結(jié)構(gòu)呢？這里舉一個(gè)簡單的實(shí)例。

A擁有20個(gè)比特幣的UTXO，A的賬戶余額不是簡簡單單用一個(gè)余額顯示出來的，而是分開為若干個(gè)UTXO散列開來的。有可能是由1個(gè)比特幣的UTXO和19個(gè)比特幣的UTXO組成，也有可能是2個(gè)比特幣的UTXO、3個(gè)比特幣的UTXO和15個(gè)比特幣的UTXO組成等，種種可能性都是存在的。

如下圖所示，A所持有的20個(gè)比特幣的UTXO是由5個(gè)比特幣的UTXO和15個(gè)比特幣的UTXO構(gòu)成的。其中，5個(gè)比特幣的UTXO中的3個(gè)比特幣轉(zhuǎn)賬給B時(shí)，5個(gè)比特幣的UTXO就轉(zhuǎn)化成為新的UTXO，3個(gè)比特幣的UTXO與接受方B的比特幣地址關(guān)聯(lián)，而剩余的2個(gè)比特幣的UTXO與持有方A的比特幣地址相關(guān)聯(lián)。

比特幣的UTXO結(jié)構(gòu)遵守兩個(gè)規(guī)則

1）交易有源頭：除了挖礦交易外，所有的交易都必須來自前面某一個(gè)或者幾個(gè)交易的UXTO，該交易必須包含一個(gè)有效的簽名，來自它所花費(fèi)的UTXO的擁有者；

2）輸入輸出持平：任何一筆交易的輸入總量必須等于輸出總量（實(shí)際情況是，一般輸出總和會小于輸入總和，差額是轉(zhuǎn)賬手續(xù)費(fèi)，歸礦工所有）。

總之，UTXO模式最大的好處就是，它準(zhǔn)確、如實(shí)地記錄了每一筆交易的來源和去處，這些信息保存在區(qū)塊鏈中，任何人都無法對數(shù)據(jù)進(jìn)行修改或者刪除。只要獲取了每個(gè)地址的相關(guān)交易記錄，那么每個(gè)地址進(jìn)行的余額結(jié)算就不會出錯(cuò)，也就不存在偽造比特幣的可能性，就這樣UTXO確保了比特幣不能被偽造的特性。同時(shí)，每一筆輸入都可以找到相應(yīng)的輸出，也就可以避免同一份比特幣被同時(shí)重復(fù)花費(fèi)兩次的可能性，有效地避免了“雙花（Double Spend）”問題。