理解比特幣(4)——實現原理
阿新 • • 發佈：2021-01-05
# Part 0. 前言
在[前面](https://www.wmyskxz.com/tags/%E6%AF%94%E7%89%B9%E5%B8%81/ "比特幣系列文章")我們已經瞭解到了：
1. **比特幣** 代表了誕生於數字時代的對 **貨幣問題** 新的 **技術解決方案**；
2. **比特幣** 最大的價值在於 **價值儲存**，是擁有極高存量-增量比的 **健全貨幣**；
3. ....
可是這一切是如何通過技術實現的呢？這一篇文章就將 **儘可能通俗** 地解答這一問題。
# Part 1. 從一個例子入手
現在[假設](http://youtu.be/obRzfcvMshM "例子出處 | 比特幣原理") A、B、C、D 四個人合租一套房子，因為時常有金錢上的往來，為了省事，他們選擇使用客廳的一塊白板 **用來記賬**，到月底一起結清：
如果有人調皮，往白板上 **憑空寫一條記錄**，例如：A 需要向 C 支付 50，那麼月底 A 就會多支付 50，為了避免這樣的情況發生，每一條記錄後面都需要 **本人確認簽字**：
後來由於賬目過多，於是大家決定 **轉用電腦** 來記錄，但這樣一來 **簽名成了問題**。
一方面在電腦上不方便手寫簽名，另一方面手寫簽名也很容易被複制，所以我們需要轉換成專門用於電腦的 **數字簽名**。
# Part 2. 雜湊(hash)演算法
使用數字簽名，我們需要考慮嚴格的 **對應性**，也就是說一條簽名只能用於指定的記錄才行：
例如這裡的第一條記錄 *（A→C 轉賬 50）* 需要嚴格對應 *數字簽名 1*，不能對應第二條，也不能允許金額變更 *(如果金額更改應該是其他的數字簽名)*。
這樣才能對記錄的正確性有保證。
**可是數字簽名如何生成呢？** 這裡需要介紹一種被稱為 **雜湊(hash)演算法** 的工具。
它的作用是能把 **任意長度的輸入** 變成 **固定長度的二進位制輸出**。
在比特幣的世界中，採用了 [SHA-256 演算法](https://zh.wikipedia.org/wiki/SHA-2 "SHA-2 維基百科") 來生成數字簽名，其中 **SHA** 是 **Secure Hash Algorithm** *(安全雜湊演算法)* 的簡寫，`256` 表示無論輸入什麼值都會生成一個 `256` 位的二進位制數 *(由 `0`/`1` 組成)*。
並且 **相同的輸入**，總會得到 **相同的結果**，結果又不能倒推回輸入，所以我們可以使用 SHA-256 作為我們的數字簽名。
例如，我們把第一條記錄用 SHA-256 演算法對應生成一條數字簽名：
即使是相差一個字、一個點，都會造成最終通過 SHA-256 生成的簽名完全不一樣，且毫無規律可尋：*(這樣就能滿足一一對應)*
所以我們算是解決了對應性的難題：
# Part 3. 非對稱加密
但是這樣還遠遠不夠，即使一一對應，也不能證明像上述這樣生成的數字簽名是 **本人生成** 的，因為 SHA-256 是公開的演算法，任何人都能通過它生成數字簽名。
**如何才能驗證是 A 生成的簽名而不是 B 生成的呢？**
於是想出了一個辦法，這個辦法叫 **非對稱加密**。
## 加密和解密
先來解釋一下什麼叫加密，用大家平時比較喜歡的一串數字來舉例：
`5201314` 是大家比較能知道的意思，但是把每一位數字都 `+2` 之後變成 `7423536` 就不那麼容易明白了，這個過程就叫 **加密**，還原的過程則叫 **解密**。
## 對稱加密和非對稱加密
像上面例子中那樣加密和解密過程一樣的 *(`±2`)*，我們稱之為 **對稱加密**，加密和解密過程不一樣的則稱之為 **非對稱加密**。
[舉個例子](https://www.zhihu.com/question/33645891 "如何用通俗易懂的話來解解釋非對稱加密 | @永安線上反欺詐")，假設我們現在需要加密的字元是 `520`，我們 **加密** 的方法是把這個數乘以 `91`，並把結果的最後三位公佈出來：
**解密** 我們當然不能通過除以 `91` 來完成，而是通過 `x11`，取出結果後三位來還原：
這是因為 `91*11=1001`，任何一個三位數乘以 `1001` 顯然後三位是不會變的。
這大概就是 **非對稱加密的原理** 了，只是可能原理更為複雜。
通常，在這個原理被保密的情況下，我們把解密的方法公佈到網上，數字 `11` 就被我們稱為 **公鑰**，人人都能知道，人人都能對應還原。
這個用來加密的數字 `91` 我們稱之為 **私鑰**，只有你自己知道。
一組配對的公鑰和私鑰，也就能解決 **可驗證** 的問題了，因為私鑰有且僅有一個與之配對的公鑰。
他人可以使用你的公鑰加密資訊，然後傳送給你，你用私鑰解密，取出資訊。反過來，你也可以用私鑰加密資訊，別人用你的公鑰解開，從而證明這個資訊確實是你發出的，且未被篡改，這也就是 **數字簽名** 了。*（更詳細的介紹請看[《什麼是數字簽名》](http://www.ruanyifeng.com/blog/2011/08/what_is_a_digital_signature.html "數字簽名是什麼？ | 阮一峰")）。*
於是我們又解決了 **可驗證** 問題：
# Part 4. 去中心化
好了，目前我們的賬本已經算是可用了，但是整個過程我們是信賴 "電腦" 這個 **第三方** 的，如果出現什麼問題 *(比如中毒了)*，那就是無可避免的損失。
現在我們的交易大部分都依賴於這樣的 **第三方**，比如銀行、支付寶，面對高昂的手續費、繁瑣流程以及監管的問題，比特幣給出的答案是：**去中心化**。
在[比特幣提出時](https://bitcoin.org/files/bitcoin-paper/bitcoin_zh_cn.pdf "比特幣白皮書 PDF")，就說明了比特幣是一種完全 **點對點** 的電子貨幣系統，也就是說交易就像給某人發電子郵件一樣簡單，完全不需要藉助任何第三方。
*(這當然也有缺點在上一篇中我們提到一些——比如違法活動的進行更難追溯和查詢)*
**每一個人** 都擁有一個 **完整的賬本**，每個人都是中心，這樣即使部分賬本存在問題也不會影響。
每一次交易的發生都會把這一次交易的資訊公佈到網上，每個人 **驗證成功** 之後都會記錄到自己的賬本中。
比如，A 向 B 支付了 50，那麼 A 就會使用自己的 **私鑰** 進行加密然後 **廣播** 到每一個人告訴他們這一訊息：
每一個收到的人再使用 A 的 **公鑰** 進行解密驗證確實是 A 向 B 支付了 50，並且開始檢查自己的賬本，開始回溯檢查 **確保 A 的賬戶上有 50** 用於支付給 B。
如果一切 OK，那麼每個人的賬本上都記錄上了這一條訊息。
## 三個一致性問題
每個人都儲存 **所有** 的轉賬記錄，這會存在三個關於 **一致性** 的問題。
**第一個問題是：如何進行同步？**
因為整個系統執行在網路，有的計算機可能會處於 **"離線"** 的狀態，但交易時刻都在發生，這就會出現賬本不一致的情況，如何才能保證不同計算機之間資料之間的資料同步問題呢？
**第二個問題是：如何防止記錄被篡改？**
例如黑客可能篡改網路中某些賬本中的部分資料，導致賬目不一致甚至衝突的情況發生，最終比特幣網路崩壞，如何才能保證資料不會被惡意篡改呢？
**第三個問題是：如何防止同一筆比特幣收入被重複使用？**
之前看到有人問：如果在 ATM 機跟支付寶中同時轉走賬戶剩餘的錢，那麼是不是會憑空多出一筆？
當然不會，因為 **銀行** 這樣的 **第三方機構** 會幫你做出決定：先轉走哪一筆那麼另一筆就會失效。
可是比特幣網路中，由於有些人先收到訊息有些人後收到訊息，那麼究竟使用哪一條訊息為準，又如何防止 "憑空多出一筆" 這樣的事情發生呢？
# Part 5. 區塊鏈
上述的一致性問題，比特幣世界採用 **區塊鏈** 的方式來解決。
## 區塊鏈 = 區塊 + 鏈
在比特幣世界中，大約每 10 分鐘會結算一次這 10 分鐘以來的交易記錄並輸出一個新的 "賬本"：
這些 "賬本" 當然不是交易記錄的 **簡單複合**，而是包括了：前一個 "賬本" 是哪一個、前一個 "賬本" 所有資料計算出的 Hash 值等等資訊的 **複雜資料體**。
這樣我們既能通過簡單的驗證保證 **資料的正確性**，又能把所有的 "賬本" 都 **串聯** 起來：
好了，換個名字，區塊鏈有了：
> 遼寧瀋陽一小區大門上，66 把鎖串聯在一起，被譽為 **"最便宜的門禁系統"**，也號稱 **"區塊鏈實體化"** 技術...
>
> 
## 新區塊由 "礦工" 生成
比特幣網路中每一個新區塊都由 **"礦工"** 生成，它們會 **逐條檢查每一條記錄** 是否符合要求，例如每一條記錄是否有正確的數字簽名、支付是否合理等。
然後將驗證完之後的比特幣交易記錄新增到自己正在製作的 **新區塊** 中，製作完成就馬上傳送到比特幣網路中的每一個節點。
節點收到這個新區塊的資訊，如果驗證之後符合要求，就新增到目前 **區塊鏈的末尾**。
那麼問題來了，比特幣網路有許許多多的 "礦工"，這也意味著這可能會 **同一時間** 內能生成很多 **基本資訊大致相同** 的 **"新區塊"**。
雖然這些 "新區塊" 中大致都是近期內驗證好的交易記錄，但是每個區塊具體包含哪些交易記錄，可能各不相同。
比特幣網路只能認可維護 **同一條區塊鏈**，比特幣網路上的 **每個節點** 都必須選擇 **同一個新區塊** 新增到末尾，但是這又很難制定一個統一的選擇標準。
## POW(Proof Of Work)工作量證明
比特幣世界解決方法是：**採用一個巧妙的方法限制單位時間內生成的新區塊的數量**。
如果每過 10 分鐘左右的時間，整個比特幣世界只有 **一個** "礦工" 能夠生成 **一個** 新區塊，那麼也就不用再進行選擇，區塊鏈也將新增唯一一個新區塊到末尾。
這個巧妙的方法就是：當 "礦工" 完成新區塊的驗證打包之後，還需要做一個 **額外的工作** 才能把生成的區塊釋出到網路上。
額外工作的整個過程可以分為 2 步：
1. 將新制作區塊所包含的 **內容**（前一個區塊所有內容的 SHA-256 函式值 + 新區塊基本資訊 + 新區塊所包含所有交易記錄）組合成一個 **字串**；
2. 在這個字串的末尾新增一個 **隨機數**，組成新字串；
只有當這個新組成的字串通過 SHA-256 演算法得到的 `256` 位二進位制數的前 `72` 位 **全是 `0`**，才算成功完成了這個額外的工作。
**這個額外工作的難度非常高** *(前 `72` 位為 `0` 的概率為 1 / 272