比特币基础知识

基本概念

椭圆曲线数字签名算法

椭圆曲线数字签名算法（ECDSA）是使用椭圆曲线对数字签名算法（DSA）的模拟，该算法是构成比特币系统的基石。

私钥

非公开，拥有者需安全保管。通常是由随机算法生成的，说白了，就是一个巨大的随机整数，256位、32字节。大小介于1 ~ 0xFFFF FFFF FFFF FFFF FFFF FFFF FFFF FFFE BAAE DCE6 AF48 A03B BFD2 5E8C D036 4141之间的数，都可以认为是一个合法的私钥。于是，除了随机方法外，采用特定算法由固定的输入，得到32字节输出的算法就可以成为得到私钥的方法。于是，便有了迷你私钥(Mini Privkey)，原理很简单，例如，采用SHA256的一种实现：

private key = SHA256(<passphase>)

迷你私钥存在安全问题，因为输入集合太小，易被构造常见组合的彩虹表暴力破解，所以通常还是使用系统随机生成的比较好，无安全隐患。

公钥

公钥与私钥是相对应的，一把私钥可以推出唯一的公钥，但公钥却无法推导出私钥。公钥有两种形式：压缩与非压缩。

早期比特币均使用非压缩公钥，现大部分客户端已默认使用压缩公钥。这个貌似是比特币系统一个长得像feature的bug，早期人少活多代码写得不够精细，openssl库的文档又不足够好，导致Satoshi以为必须使用非压缩的完整公钥，后来大家发现其实公钥的左右两个32字节是有关联的，左侧(X)可以推出右侧(Y)的平方值，有左侧(X)就可以了。

现在系统里两种方式共存，应该会一直共存下去。两种公钥的首个字节为标识位，压缩为33字节，非压缩为65字节。以0x04开头为非压缩，0x02/0x03开头为压缩公钥，0x02/0x03的选取由右侧Y开方后的奇偶决定。

压缩形式可以减小Tx/Block的体积，每个Tx Input减少32字节。

签名

使用私钥对数据进行签署(Sign)会得到签名(Signature)。通常会将数据先生成Hash值，然后对此Hash值进行签名。签名(signature)有两部分组成: R + S。由签名(signature)与Hash值，便可以推出一个公钥，验证此公钥，便可知道此签名是否由公钥对应的私钥签名。

通常，每个签名会有三个长度：73、72、71，符合校验的概率为25%、50%、25%。所以每次签署后，需要找出符合校验的签名长度，再提供给验证方。

地址

地址是为了人们交换方便而弄出来的一个方案，因为公钥太长了(130字符串或66字符串)。地址长度为25字节，转为base58编码后，为34或35个字符。base58是类似base64的编码，但去掉了易引起视觉混淆的字符，又在地址末尾添加了4个字节校验位，保障在人们交换个别字符错误时，也能够因地址校验失败而制止了误操作。

由于存在公钥有两种形式，那么一个公钥便对应两个地址。这两个地址都可由同一私钥签署交易。

公钥生成地址的算法：

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Version = 1 byte of 0 (zero); on the test network, this is 1 byte of 111
Key hash = Version concatenated with RIPEMD-160(SHA-256(public key))
Checksum = 1st 4 bytes of SHA-256(SHA-256(Key hash))
Bitcoin Address = Base58Encode(Key hash concatenated with Checksum)

下图是非压缩公钥生成地址的过程：

pubkeytoaddr

对于压缩公钥生成地址时，则只取公钥的X部分即可。

推导关系

三者推导关系：私钥 >> 公钥 >> 两个地址。过程均不可逆。拥有私钥便拥有一切，但通常为了方便，会把对应的公钥、地址也存储起来。

交易

比特币的交易(Transation，缩写Tx)，并不是通常意义的交易，例如一手交钱一手交货，而是转账。交易由N个输入和M个输出两部分组成。交易的每个输入便是前向交易的某个输出，那么追踪到源头，必然出现一个没有输入的交易，此类交易称为CoinBase Tx。CoinBase类交易是奖励挖矿者而产生的交易，该交易总是位于Block块的第一笔。

qq20130727-18

拥有一个输入与输出的Tx数据：

Input:
Previous tx: f5d8ee39a430901c91a5917b9f2dc19d6d1a0e9cea205b009ca73dd04470b9a6
Index: 0
scriptSig: 304502206e21798a42fae0e854281abd38bacd1aeed3ee3738d9e1446618c4571d10
90db022100e2ac980643b0b82c0e88ffdfec6b64e3e6ba35e7ba5fdd7d5d6cc8d25c6b241501

Output:
Value: 5000000000
scriptPubKey: OP_DUP OP_HASH160 404371705fa9bd789a2fcd52d2c580b65d35549d
OP_EQUALVERIFY OP_CHECKSIG

一旦某个Tx的第N个输出成为另一个Tx的输入，那么该笔比特币即为已花费。每个交易有唯一Hash字符串来标识，通过对交易数据做两次SHA256哈希运算而来：

Tx Hash ID = SHA256(SHA256(Tx Data))

矿工费

矿工费（Transaction Fee）是鼓励矿工将Tx打包进Block的激励报酬。计算一笔交易的矿工费：

Transaction Fee = SUM(Input's amount) - SUM(Output's amount)

每笔Tx的矿工费必然大于等于零，否则该笔Tx即为非法，不会被网络接收。

数据块

数据块(Block)是存储Block Meta与Tx的地方。Block的第一笔Tx总是CoinBase Tx，因此Block中的交易数量总是大于等于1，随后是这段时间内网络广播出来的Tx。

找到合适的Block是一件非常困难的事情，需要通过大量的数学计算才能发现，该计算过程称为“挖矿”。首个发现者，会得到一些比特币作为奖励。

数据链

多个Block连接起来成为数据链(Block Chain)。

blockchain

为了引入容错与竞争机制，比特币系统允许Block Chain出现分叉，但每个节点总是倾向于选择最高的、难度最大的链，并称之为Best Chain，节点只认可Best Chain上的数据。

首个Block称为Genesis Block，并设定高度为零，后续每新增一个Block，高度则递增一。目前是不允许花费Genesis Block中的比特币的。

  • 每个Block中的Tx在此Block中均唯一
  • 一个Tx通常只会在一个Block里，也可能会出现在多个Block中，但只会在Best Chain中的某一个Block出现一次

货币存储

比特币是密码货币、纯数字化货币，没有看得见摸得着的硬币或纸币。一个人持有比特币意味着：

  1. 其拥有一些地址的私钥
  2. 这些地址是数笔交易的输出，且未花费

所有货币记录均以交易形式存储在整个blockchain数据块中，无交易无货币。货币不会凭空产生，也不会凭空消失。遗失了某个地址的私钥，意味着该地址上的Tx无法签署，无法成为下一个Tx的输入，便认为该笔比特币永久消失了。

货币发行

既然所有交易的输入源头都是来自CoinBase，产生CoinBase时即意味着货币发行。比特币采用衰减发行，每四年产量减半，第一个四年每个block的coinbase奖励50BTC，随后是25btc, 12.5btc, …并最终于2140年为零，此时总量达到极限为2100万个btc。

total_bitcoins_over_time_graph

减半周期，严格来说，并不是准确的四年，而是每生成210000个block。之所以俗称四年减半，是因为比特币系统会根据全网算力的大小自动调整难度系统，使得大约每两周产生2016个block，那么四年约21万块block。

该函数GetBlockValue()用于计算挖得Block的奖励值：

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int64 static GetBlockValue(int nHeight, int64 nFees)
{                            
    int64 nSubsidy = 50 * COIN;     
                             
    // Subsidy is cut in half every 210000 blocks, which will occur approximately every 4 years
    nSubsidy >>= (nHeight / 210000);
                             
    return nSubsidy + nFees; 
}

当达到2100万btc以后，不再有来自CoinBase的奖励了，矿工的收入来源仅剩下交易的矿工费。此时，每个block的收入绝对值btc很低，但此时比特币应当会非常繁荣，币值也会相当的高，使得矿工们依然有利可图。

杜绝多重支付

传统货币存在多重支付(Double Spending)问题，典型的比如非数字时代的支票诈骗、数字时代的信用卡诈骗等。在比特币系统里，每笔交易的确认均需要得到全网广播，并收录进Block后才能得到真正确认。每笔钱的花销，均需要检测上次输入交易的状态。数据是带时间戳的、公开的，BlockChain由巨大的算力保障其安全性。所以比特币系统将货币的多重支付的风险极大降低，几近于零。通过等待多个Block确认，更是从概率上降低至零。一般得到6个确认后，可认为非常安全。但对于能影响你人生的重大支付，建议等待20~30个确认。

匿名性

任何人均可以轻易生成大量的私钥、公钥、地址。地址本身是匿名的，通过多个地址交易可进一步提高匿名性。但该匿名性并不像媒体宣传的那样，是某种程度上的匿名。因为比特币的交易数据是公开的，所以任何一笔资金的流向均是可以追踪的。

不了解比特币的人为它的匿名性产生一些担忧，比如担心更利于从事非法业务；了解比特币的人却因为它的伪匿名性而苦恼。传统货币在消费中也是匿名的，且是法律保障的，大部分国家都不允许个人涂画纸币。

地址本身是匿名的，但你可以通过地址对应的私钥签名消息来向公众证明你拥有某个比特币地址。

其他名词

哈希

哈希(Hash)是一种函数，将一个数映射到另一个集合当中。不同的哈希函数映射的空间不同，反映到计算机上就是生成的值长度不一样。同一个哈希函数，相同的输入必然是相同的输出，但同一个输出却可能有不同的输入，这种情况称为哈希碰撞。

常见的哈希函数有CRC32, MD5, SHA1, SHA-256, SHA-512, RIPEMD-160等，哈希函数在计算中有着非常广泛的用途。比特币里主要采用的是SHA-256和RIPEMD-160。

脑钱包&纸钱包

前面提到过的脑钱包与纸钱包，这其实不算是钱包的分类，只是生成、存储密钥的方式而已。脑钱包属于迷你私钥的产物。脑钱包就是记在脑袋里的密钥，纸钱包就是打印到纸上的密钥，仅此而已。

有同学提到过，以一个计算机文件作为输入，例如一个数MB大小的照片，通过某种Hash运算后得到私钥的方法。这个方案的安全性还是不错的，同时可以防止盗私钥木马根据特征扫描私钥。文本形式存储私钥是有特征的，而一个照片文件却难以察觉，即使放在云盘等第三方存储空间中都是安全的。

比特币客户端与钱包

简介

拥有和保存比特币，需要通过客户端，通常把该软件称为钱包。目前，整个比特币项目由Bitcoin Foundation来开发与维护，通常把他们称为官方团队。官方推出的客户端是Bitcoin Qt, 由C++编写核心功能，GUI界面由Python Qt完成。不含有GUI界面的被成为bitcoind，许多服务与核心功能均由其实现。运行bitcoind的通常称为节点(Bitcoin Node), 一个节点通常拥有完整的BlockChain数据，并实时与外界网络同步更新。

钱包中通常含有：

  • 公钥、私钥、地址
  • 与钱包中地址相关的交易信息
  • 其他辅助数据

最核心的数据就是密钥，拥有密钥便拥有一切，相关信息均可由其而来。钱包并不一定需要包含完整的BlockChain数据，不包含BlockChain数据的钱包称为轻钱包(Light Weight Wallet)。对于大部分日常使用来讲，轻钱包便足够了。

分类

  • 完全节点型(Full Node)：含有BlockChain所有完整数据
  • 简易节点型(SPV Node)：Header-Only Clients，仅有Block头部信息，无需交易数据
  • CS型(Server-Client)：服务端-客户端模式，大部分数据存储在服务端
  • BS型：所有数据均通过浏览器在线使用

Bitcoin Qt，因为其是一款完整的钱包软件，需要下载大约超过10GB的BlockChain数据(24万个block)，对于大部分人来讲，是没有必要的。目前，官方主页上默认推荐的客户端已经不再是Bitcoin Qt, 而是MultiBit（支持Windows, MacOS和Linux的轻钱包）；移动端目前最好用的是Bitcoin Wallet(安卓平台)，iOS平台由于政策原因，一直未有出色的软件，Blockchain.Info为iOS提供了一个简单的钱包软件，Blockchain for the iPhone。还有就是在线钱包，如优秀的BlockChain.Info，其安全性均超过自行保存管理，推荐使用之。

最近还有一种流行的钱包：脑钱包。因其安全性较低，并不推荐大家使用，仅临时性场合使用之。其原理是由一串密码短语，通过Hash运算，得到密钥，只要记住这串密语即可使用钱包。因为密码短语符合大家习惯和记忆特点，可以通过计算大量常见组合来破解。除了暴力破解的问题外，失忆是最大的风险，比如摔个跟头跌成脑震荡，或长期不用自然忘得一干二净。

选择&存储

  • 日常使用的额度通常小于10个币，可以存放在电脑或手机App中。通常存放1个币以下是比较保险的，丢了不太心疼嘛

  • 持有几十、几百个币的，可以选择BlockChain.Info，Inputs.io等在线钱包。其也可以当做日常钱包使用。

  • 持有上千甚至数万的，应该分开存储，并隔离存放。使用离线电脑生产密钥，打印出来托管至银行等高安全场所存储，并销毁现有密钥。同时还需要多份隔离存储，甚至对密钥进行加密。

密钥即一切，如不慎弄丢钱包，便永远失去这笔比特币。所以钱包需要小心妥善保管，不在自己的PC或者手机App中存储大量比特币，丢失的风险太高，病毒木马、硬件损坏、手机丢失等均造成无法挽救的损失。俗话讲鸡蛋不要搁在一个篮子里，多种方式存储也是降低风险的有效方式。目前丢失的比特币或有数百万BTC之巨。

常见钱包

  • Bitcoin-Qt - 官方客户端，基于C++/Qt，全平台，完全数据。
  • MultiBit - 全平台，轻钱包，官方推荐
  • Electrum - 著名轻钱包
  • Armory - 基于Python，含有诸多特性的轻钱包
  • BlockChain.info - 非常著名在线钱包

开发库

  • bitcoind - 官方客户端，无GUI，开发者必备
  • libcoin - libcoin
  • libbitcoin - asynchronous C++ library for Bitcoin
  • cbitcoin - A low-level bitcoin library written in standard C
  • Bitcoinj - a Java implementation of the Bitcoin protocol
  • gocoin - Bitcoin client library for Go / golang
  • pynode - Bitcoin P2P router, in python
  • bitcointools - Python-based tools for the Bitcoin cryptocurrency system，By Gavin Andresen
  • bitcoin-abe - Abe: block browser for Bitcoin and similar currencies

数据检索

参考

  1. Bitcoin Foundation： https://bitcoinfoundation.org/
  2. Why Apple Is Afraid Of Bitcoin: http://www.forbes.com/sites/jonmatonis/2012/06/13/why-apple-is-afraid-of-bitcoin/
  3. List of Bitcoin-related software： https://en.bitcoin.it/wiki/Software
  4. Bitcoin Clients: https://en.bitcoin.it/wiki/Clients

比特币是什么?

简介

比特币是一个自由软件项目，是一种基于密码学的电子货币，同时也是一种协议。整个系统采用去中心化思想构建，基于P2P模式运行。
其特点有：

  • 去中心化发行与运作，无央行存在
  • 货币不可伪造，无法多重支付，交易不可逆转
  • 紧缩货币，总量固定，但可以无限分割
  • 全球无障碍流通，快速支付且成本极低
  • 账户匿名，且任何人均无法冻结，无法收税
  • 天然审计

比特币由Satoshi Nakamoto创造（现已匿名消失），2008年11月1日，Satoshi在一个密码学的邮件列表中贴出了一篇论文：”Bitcoin P2P e-cash paper“：

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创世纪块

2009年1月3日，第一个数据块(Genesis‎ Block)的生成宣告比特币系统诞生。Satoshi在Genesis Block数据区中写入如下信息：

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$ hexdump -n 255 -C blk00000.dat
00000000  f9 be b4 d9 1d 01 00 00  01 00 00 00 00 00 00 00  |................|
00000010  00 00 00 00 00 00 00 00  00 00 00 00 00 00 00 00  |................|
00000020  00 00 00 00 00 00 00 00  00 00 00 00 3b a3 ed fd  |............;...|
00000030  7a 7b 12 b2 7a c7 2c 3e  67 76 8f 61 7f c8 1b c3  |z{..z.,>gv.a....|
00000040  88 8a 51 32 3a 9f b8 aa  4b 1e 5e 4a 29 ab 5f 49  |..Q2:...K.^J)._I|
00000050  ff ff 00 1d 1d ac 2b 7c  01 01 00 00 00 01 00 00  |......+|........|
00000060  00 00 00 00 00 00 00 00  00 00 00 00 00 00 00 00  |................|
00000070  00 00 00 00 00 00 00 00  00 00 00 00 00 00 ff ff  |................|
00000080  ff ff 4d 04 ff ff 00 1d  01 04 45 54 68 65 20 54  |..M.......EThe T|
00000090  69 6d 65 73 20 30 33 2f  4a 61 6e 2f 32 30 30 39  |imes 03/Jan/2009|
000000a0  20 43 68 61 6e 63 65 6c  6c 6f 72 20 6f 6e 20 62  | Chancellor on b|
000000b0  72 69 6e 6b 20 6f 66 20  73 65 63 6f 6e 64 20 62  |rink of second b|
000000c0  61 69 6c 6f 75 74 20 66  6f 72 20 62 61 6e 6b 73  |ailout for banks|
000000d0  ff ff ff ff 01 00 f2 05  2a 01 00 00 00 43 41 04  |........*....CA.|
000000e0  67 8a fd b0 fe 55 48 27  19 67 f1 a6 71 30 b7 10  |g....UH'.g..q0..|
000000f0  5c d6 a8 28 e0 39 09 a6  79 62 e0 ea 1f 61 de     |\..(.9..yb...a.|

还原出文本为：

The Times 03/Jan/2009 Chancellor on brink of second bailout for banks

该段文字为英国《泰晤士报》2009年01月03日头版新闻标题：

twcach2

这段文字暗示了比特币的诞生时间，并从中可以看出Satoshi对现有货币系统的强烈不满。

经过数年发展，已有大量计算机加入，形成了庞大的P2P网络，并构成巨大的算力屏障。除非小行星撞击地球，否则没有任何个人与组织能够关闭该系统。截止2013年7月19日，目前全网节点数约16万个：

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一切才刚刚开始

由于比特币的诸多颠覆特性，被人称为“史上最危险的自由软件项目”，现在经历数次大波折的比特币不仅没有衰落反而越来越繁荣，无数人正投身于这场伟大的社会实践中去，而比特币将开创出人类新的货币史。

参考

  1. An open source P2P digital currency: http://bitcoin.org/
  2. Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System: http://bitcoin.org/bitcoin.pdf
  3. Satoshi Nakamoto: https://en.bitcoin.it/wiki/Satoshi_Nakamoto
  4. Bitcoin P2P Currency: The Most Dangerous Project We’ve Ever Seen：http://launch3.squarespace.com/blog/l019-bitcoin-p2p-currency-the-most-dangerous-project-weve-ev.html
  5. Genesis Blcok: https://en.bitcoin.it/wiki/Genesis_block
  6. Chancellor Alistair Darling on brink of second bailout for banks: http://www.thetimes.co.uk/tto/business/industries/banking/article2160028.ece
  7. Bitnods: http://getaddr.bitnodes.io/