揭密比特币工作原理：分布式账本、数学签名与共识机制全解析！

比特币工作原理，简单来说就是通过分布式账本、数学签名、算力证明和共识机制，创造了一个不依赖银行或政府的数字货币系统，完全依靠数学和算法运行。

什么是比特币

比特币本质上是一个数字账本，记录着账户和余额。当A以5.2个比特币卖给B一台电脑时，A的账户增加5.2，B的账户减少5.2。这些数字背后没有黄金或法定货币支撑，完全依靠人们对系统的信任。B之所以愿意用真实的电脑换取账本上更大的数字，是因为他相信其他人也会信任这个系统。

谁来维护账本

为了避免中心化控制，比特币采用了一个大胆的设计：让每个参与者都维护自己的账本副本。这带来一个有趣的结果，每个人都能看到其他人的余额。不过系统使用账号而非真实姓名，所以保留了一定的匿名性。

如何保持账本同步

既然每个人都有自己的账本，那么在货币转移时，这些账本如何保持一致呢？答案很简单：当你要转账时，只需广播一条消息，包含你的账号、接收者账号和金额。全世界的参与者收到消息后，都会更新自己的账本。

顺便说一句，这里描述的是高级用户的使用方式，也就是那些帮助维护系统的人。普通用户其实可以直接使用系统收发资金，不必维护完整的账本。

数学签名：如何防止造假

如果转账只需发送一条消息，那小偷岂不是可以冒用别人的账号转走资金？比特币用一种基于数学的签名机制解决了这个问题。就像纸质支票需要手写签名一样，比特币交易也需要签名，只不过这个签名来自数学而非笔迹。

每个新账号创建时，会生成一个与之数学关联的私钥。如果你听说过比特币钱包，那么钱包里保存的就是这些私钥，它们让你能够创建签名。转账时，私钥和交易信息一起输入到一个特殊的加密函数中，生成独特的签名。其他人可以用另一个函数验证这个签名，确保它确实由账户所有者创建，并且只适用于这笔特定的交易。

与手写签名不同，这些数学签名无法被复制和重复使用，因为每笔交易的签名都是独一无二的。

双重支付问题：时间顺序的困扰

数学签名虽然能证明是"谁"发起了交易，却无法证明交易是"何时"发起的，而这恰恰会引发一个严重问题。

在传统银行系统中，如果A开了两张支票但钱只够付一张，银行会支付先到的那张，拒绝第二张，因为那时A的账户已经空了。可见交易顺序至关重要，它决定了谁能拿到钱。

但在比特币的世界里，确定顺序要困难得多。这里没有单一的银行，而是分布在世界各地的无数个体。网络延迟会导致同一笔交易在不同地方以不同顺序到达，欺诈者还可能故意篡改时间戳。两个收货人可能都认为自己的交易排在前面而发货，这样A就能把同一笔钱花两次。

比特币通过提供一种让全世界达成共识的机制来解决这个问题。

数学抽奖：全球如何达成共识

当新交易产生时，它们会进入一个待处理交易池，就像一个装满待处理订单的大篮子。比特币网络里的“矿工”（一些运行比特币程序的电脑）会从篮子里挑交易，然后试着解决一个数学难题，把这笔交易加到区块链上。

第一个找到解决方案的人获胜，他选择的交易就成为链上的下一个交易。

那么这个数学难题到底是什么呢？它基于一种叫做"加密哈希"的特殊函数。这个名字听起来费解，但它做的事情其实很简单：把输入混合一下，然后输出一个数字。它的特殊之处在于不可逆性，也就是说，你没办法从输出反推出输入，除非进行大量的猜测，不停地试不同的随机数，像是猜密码一样。这需要大量计算，很费算力和时间。

谁先找到找到一个让哈希输出“符合要求”的数字，谁就赢了，可以把自己选择的交易加到区块链上。赢了的矿工把交易和答案广播给所有人，大家检查答案（很容易验证），确认无误后，这笔交易就正式记在区块链上了，顺序也确定了。

计算力投票：如何防止作弊

比特币的另一个巧妙之处是“计算力投票”。当你加入比特币网络，可能会收到不同的区块链版本（比如有人故意造假）。你该信哪个？答案是：信“最长”的那个链，也就是花了最多计算力（最多“投票”）的链。

每次矿工解决一个数学难题，其实就是在为某个区块链版本“投票”。因为难题很难，解决它需要大量计算力，相当于投了一票“昂贵的票”。

如果一个链有更多难题被解决，说明它得到了更多计算力支持，大家就会信任它。

比如选村长，投票的方式是每人扔100次硬币，扔出100次正面的算一票。因为这很难，作弊者很难投很多票。比特币的区块链就像这样，矿工用计算力“投票”，哪个链有最多票（最多难题被解决），大家就信哪个。

货币的诞生

最后一个问题：比特币是如何产生的？答案很简单，每当有人赢得抽奖、成功选出链上的下一笔交易时，新的比特币就会凭空产生，并奖励给他的账户。

解决这些数学问题的过程通常被称为"挖矿"，因为这是货币进入系统的方式。但要记住，这些数学运算的主要目的是确保每个人的账本保持一致，产生货币只是一个便捷的副产品，用来随机地把货币分配到世界各地。

事实上，到2140年左右，系统将不再产生新的比特币。那之后，参与者只能从交易附加的手续费中获得报酬。