比特幣的底層技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)工作原理,貨幣銀行論文

比特幣的底層技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)工作原理,貨幣銀行論文Abstract:Inrecentyears,Bitcoinhasenteredthepubliceyeandattractedmoreandmorepeopletoinvest.TheauthorsummarizesthedevelopmentofBitcoinfromthefinancialaspecttodemonstratethechangeofBitcoinvalue.ThispaperbrieflyintroducesthestructuremodeloftheblockchainofBitcoinbottomtechnology,analyzesthecharacteristicsofBitcoin,andexplainstheworkingprincipleofbitcoinfromthetechnicallevel,soastoachievethepurposeofmakingpeopleunderstandBitcoindeeply.Keyword:Bitcoin;blockchain;de-centered;mining;1、比特幣的產(chǎn)生與發(fā)展2008年9月，具有100多年歷史的美國(guó)投資銀行雷曼兄弟公布破產(chǎn)，美國(guó)次貸危機(jī)徹底爆發(fā)，全球金融市場(chǎng)因而遭到了宏大影響。11月有人用中本聰?shù)幕l(fā)表了一篇名為(比特幣：一種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的電子現(xiàn)金系統(tǒng)〕的論文，闡述了一種去中心化、不需要信任基礎(chǔ)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)交易體系。2018年1月3日，中本聰挖出首批50個(gè)比特幣并正式啟動(dòng)了比特幣金融系統(tǒng)，此后一年內(nèi)比特幣只在極客圈內(nèi)小范圍流行，而在比特幣名聲漸起時(shí)，中本聰卻功成身退，在網(wǎng)絡(luò)上銷(xiāo)聲匿跡。2018年到2020年間是比特幣的暗黑時(shí)代，此時(shí)的比特幣尚未得到認(rèn)可，比特幣網(wǎng)絡(luò)中介入挖掘比特幣的礦工人數(shù)少，比特幣價(jià)格低迷，交易量也低。2020年是比特幣大爆發(fā)的一年，比特幣逐步得到認(rèn)可，礦工數(shù)量增加，比特幣的價(jià)格持續(xù)走高，交易量劇增。而隨著市場(chǎng)理性的回歸及其他因素，比特幣市場(chǎng)進(jìn)入冷卻期，價(jià)格穩(wěn)定。直到2021年比特幣強(qiáng)勢(shì)復(fù)蘇，比特幣概念再一次進(jìn)入群眾視野，而如今挑動(dòng)人們神經(jīng)的除了比特幣本身之外，還有比特幣的底層技術(shù)--區(qū)塊鏈。2、比特幣的底層技術(shù)--區(qū)塊鏈如今越來(lái)越多的人開(kāi)場(chǎng)炒作區(qū)塊鏈的概念，但人們對(duì)其本質(zhì)并不了解，甚至絕大多數(shù)人對(duì)其的理解就是各種幣，這是極其淺薄的。區(qū)塊鏈技術(shù)被以為是計(jì)算機(jī)范式的第五次顛覆。區(qū)塊鏈可由一個(gè)六層架構(gòu)模型來(lái)表示，這六層分別為數(shù)據(jù)層、網(wǎng)絡(luò)層、共鳴層、鼓勵(lì)層、合約層、應(yīng)用層[1].第一層數(shù)據(jù)層存儲(chǔ)底層數(shù)據(jù)并構(gòu)成分布式賬本，交易數(shù)據(jù)經(jīng)SHA256算法散列運(yùn)算后成為定長(zhǎng)字符串，采用Merkle樹(shù)方式將一個(gè)區(qū)塊中多個(gè)經(jīng)散列構(gòu)成的定長(zhǎng)字符串組織起來(lái)，并為每個(gè)區(qū)塊加蓋時(shí)間戳以增加區(qū)塊鏈的時(shí)間維度[2].每個(gè)區(qū)塊由區(qū)塊頭和區(qū)塊體兩部分組成，并根據(jù)時(shí)間進(jìn)行連接。除了第一個(gè)區(qū)塊〔稱(chēng)為創(chuàng)世區(qū)塊〕外，其他區(qū)塊均包含上一區(qū)塊頭的散列值，且具有時(shí)序性，這就到達(dá)了區(qū)塊不可更改性的目的。第二層網(wǎng)絡(luò)層采用對(duì)等式網(wǎng)絡(luò)--P2P網(wǎng)絡(luò)連接區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)上的各節(jié)點(diǎn)，廣播機(jī)制傳播交易信息，驗(yàn)證機(jī)制驗(yàn)證交易的正確性。第三層共鳴層利用PoW、PoS或其他共鳴機(jī)制使無(wú)信任基礎(chǔ)的雙方建立信任。第四層鼓勵(lì)層利用鼓勵(lì)機(jī)制保證各節(jié)點(diǎn)提供算力來(lái)支撐整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行[3].第五層合約層是利用一系列算法機(jī)制、腳本代碼、智能合約等實(shí)現(xiàn)自動(dòng)運(yùn)行與控制，當(dāng)觸發(fā)條件知足時(shí)激活并執(zhí)行合約。第六層是應(yīng)用層，即區(qū)塊鏈+APP,將區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用到更多的方面。通過(guò)對(duì)區(qū)塊鏈技術(shù)的了解，可分析得出區(qū)塊鏈技術(shù)的典型應(yīng)用比特幣的特點(diǎn)有去中心化、無(wú)需個(gè)人信息的匿名性、時(shí)間戳和鏈?zhǔn)綐?gòu)造保證的可追溯性、無(wú)參加門(mén)檻的開(kāi)放性和通用性、區(qū)塊內(nèi)容不可更改保證的交易不可逆性。再結(jié)合比特幣本身具有的貨幣數(shù)量有限、無(wú)偽鈔風(fēng)險(xiǎn)、交易費(fèi)用低等特點(diǎn)，不難看出比特幣在將來(lái)社會(huì)的價(jià)值。綜上，區(qū)塊鏈就是一個(gè)集分布式數(shù)據(jù)庫(kù)、加密算法、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸、共鳴機(jī)制、鼓勵(lì)機(jī)制等技術(shù)為一體的新型應(yīng)用形式。區(qū)塊鏈技術(shù)的核心在于用技術(shù)為無(wú)信任基礎(chǔ)的群體建立信任[4],這種技術(shù)必將為金融、經(jīng)濟(jì)甚至政治、文化等領(lǐng)域帶來(lái)深入的變革。3、比特幣網(wǎng)絡(luò)工作原理2018年中本聰挖出第一筆賞金為50個(gè)比特幣，此時(shí)的貨幣總數(shù)即為50,隨后每大約10min增長(zhǎng)50比特幣。當(dāng)總量到達(dá)1050萬(wàn)〔2100萬(wàn)的一半〕時(shí)，賞金減半為25個(gè)比特幣，當(dāng)再增加525萬(wàn)〔1050萬(wàn)的一半〕時(shí)，賞金再次減半為12.5個(gè)比特幣，以此類(lèi)推。由于比特幣只能細(xì)分到小數(shù)點(diǎn)后8位，因而，到2140年無(wú)法再細(xì)分下去，即比特幣發(fā)行完畢，此時(shí)將共發(fā)行2100萬(wàn)個(gè)比特幣。3.1挖礦原理想要參加比特幣網(wǎng)絡(luò)，介入比特幣的生成〔俗稱(chēng)挖礦〕,需要先擁有一個(gè)類(lèi)似于銀行卡號(hào)的比特幣地址，可通過(guò)下載比特幣錢(qián)包或者在比特幣網(wǎng)站注冊(cè)以獲得一串由數(shù)字和字母組成的26~34位比特幣地址。每個(gè)參加比特幣網(wǎng)絡(luò)中的計(jì)算設(shè)備，都是為比特幣網(wǎng)絡(luò)提供算力的節(jié)點(diǎn)，設(shè)備的擁有者俗稱(chēng)為礦工。挖礦不僅僅僅是為了生成比特幣，也是為了將一段時(shí)間內(nèi)〔大約10min〕比特幣網(wǎng)絡(luò)中發(fā)生的交易確認(rèn)并記錄在新區(qū)塊，礦工那么多，到底由誰(shuí)來(lái)記賬呢？這就要競(jìng)爭(zhēng)記賬權(quán)了。礦工在自個(gè)的計(jì)算設(shè)備上安裝挖礦軟件，不需要礦工親身動(dòng)手，而是由設(shè)備執(zhí)行特定的運(yùn)算〔哈希算法〕找到問(wèn)題的解。由于沒(méi)有固定算法找到問(wèn)題的解，只能通過(guò)隨機(jī)哈希碰撞的方式求得。隨著設(shè)備算力的增加，題目難度也動(dòng)態(tài)增加，進(jìn)而保證問(wèn)題在10min左右得到解。最先找到該問(wèn)題解的人獲得該次記賬權(quán)，將未被記錄的交易信息打包到一個(gè)區(qū)塊，并將區(qū)塊同步到整個(gè)比特幣網(wǎng)絡(luò)。生成固定個(gè)數(shù)比特幣獎(jiǎng)勵(lì)給該記賬員，以此鼓勵(lì)所有礦工繼續(xù)提供算力〔每秒鐘能做哈希碰撞的次數(shù)，單位為HASH/s〕.比特幣本質(zhì)為一串字符，類(lèi)似于紙幣上的序列號(hào)，擁有了該序列號(hào)，就擁有了該比特幣。由于區(qū)塊鏈塊頭中包含上一個(gè)區(qū)塊的哈希值，為確保交易記錄不能被任何人篡改需要經(jīng)過(guò)六次確認(rèn)。3.2轉(zhuǎn)賬交易2140年比特幣全部被挖出后，驅(qū)動(dòng)礦工持續(xù)挖礦的動(dòng)力則來(lái)源于轉(zhuǎn)賬交易中的客戶(hù)分紅。在需要將比特幣由一方轉(zhuǎn)給另一方時(shí)，就發(fā)生了轉(zhuǎn)賬交易。轉(zhuǎn)賬要填寫(xiě)發(fā)送方地址、接收方地址、轉(zhuǎn)賬金額、手續(xù)費(fèi)等信息。手續(xù)費(fèi)是給礦工的獎(jiǎng)勵(lì)，通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)獲得。手續(xù)費(fèi)按字節(jié)收費(fèi)，一筆普通交易〔一個(gè)發(fā)送方和一個(gè)接收方〕是250個(gè)字節(jié)，收費(fèi)一般為0.001~0.0015個(gè)比特幣，假如有多個(gè)接收人，則轉(zhuǎn)賬信息所含字節(jié)多，所需手續(xù)費(fèi)增加，因而，跨國(guó)交易更實(shí)惠。比特幣轉(zhuǎn)賬發(fā)起后，會(huì)通過(guò)數(shù)字簽名技術(shù)生成一段防偽造的字符串，用來(lái)對(duì)發(fā)起人進(jìn)行驗(yàn)證。首先將該交易廣播至全網(wǎng)，比特幣網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)接到這筆交易后，將其存入本地內(nèi)存池并進(jìn)行一些基本驗(yàn)證〔如雙重支付問(wèn)題〕.當(dāng)交易驗(yàn)證成功時(shí)，放入未確認(rèn)交易池,若失敗則進(jìn)行無(wú)效交易標(biāo)記。因而，節(jié)點(diǎn)需要同時(shí)完成尋找問(wèn)題解和驗(yàn)證交易更新未確認(rèn)交易池兩項(xiàng)工作。礦工每次從未確認(rèn)交易池中選擇近千筆交易進(jìn)行打包，由于區(qū)塊內(nèi)容有限，有些交易不能被及時(shí)打包，會(huì)造成區(qū)塊擁堵。想要提高被打包的可能性，可通過(guò)提高手續(xù)費(fèi)的方式實(shí)現(xiàn)。挖礦實(shí)際是礦工之間算力的比擬，礦工算力占全網(wǎng)算力的比值就是礦工挖到的概率。挖礦風(fēng)潮的興起使比特網(wǎng)算力呈指數(shù)級(jí)增加。在經(jīng)歷了CPU挖礦、GPU挖礦和專(zhuān)業(yè)礦機(jī)挖礦后，比特幣挖礦進(jìn)入礦池挖礦階段。礦機(jī)中的挖礦芯片只進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)記賬權(quán)的單一運(yùn)算，算力是普通電腦的幾十或幾百倍，而當(dāng)前個(gè)人購(gòu)置少量礦機(jī)挖出的可能性也很小，因而，出現(xiàn)將大量礦工算力連接在一起挖礦的礦池。礦池算力遠(yuǎn)大于單個(gè)礦工算力，也就提升了挖到區(qū)塊的可能性，再按每個(gè)礦工的奉獻(xiàn)分配獎(jiǎng)勵(lì)。比特幣網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)分為全節(jié)點(diǎn)和輕型節(jié)點(diǎn)，擁有全部區(qū)塊鏈信息的節(jié)點(diǎn)為全節(jié)點(diǎn)，否則，為輕型節(jié)點(diǎn)，但兩者功能一致。4、結(jié)束語(yǔ)比特幣無(wú)信任基礎(chǔ)節(jié)點(diǎn)間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)交易實(shí)現(xiàn)了去中心，且其具有的匿名性、可追溯性、開(kāi)放性、全球通用性、交易費(fèi)用低、無(wú)偽鈔等特點(diǎn)比現(xiàn)行的各種貨幣系統(tǒng)具有一定優(yōu)勢(shì)。但也有一定弊端，比方，通過(guò)區(qū)塊鏈能夠查到每個(gè)比特幣地址的所有轉(zhuǎn)賬記錄，保證了交易的公開(kāi)透明，但交易被所有人知曉，人們也就沒(méi)有了隱私。正如一位技術(shù)人員所講：比特幣優(yōu)點(diǎn)即特點(diǎn)，特點(diǎn)即缺點(diǎn)。以下為參考文獻(xiàn)[1]SWANM.Blockchain:blueprintforaneweconomy[M].Calif