区块链:科普 | 比特币交易的过程

最近这段时间，博主在整理一份通俗易懂的挖矿科普专辑，希望从最初加密货币交易的发生到挖矿确认交易的各个环节，全面地介绍挖矿过程中，到底发生了什么，哪些环节产生了挖矿收益，而我们常说的算力又指的是什么，挖矿收益为何要这样分配等等。

以比特币为例，我们知道比特币网络里设计挖矿的目的是打包交易，维护比特币网络，那么交易其实就是跟挖矿息息相关的第一个环节。在比特币网络中交易的过程使用了非对称加密技术，数字摘要技术，区块链技术等，其中的技术实现，已经有众多大神珠玉在前，博主就不献丑了。这篇文章的主要目的是将比特币的交易过程用较为浅显的语言展示出来，让更多跟笔者一样的技术门外汉了解比特币。

人大附中物理老师李永乐科普拜占庭将军问题和区块链:5月14日，人大附中物理老师、科普视频网红李永乐在其公众号发布视频《拜占庭将军问题是什么？区块链如何防范恶意节点？》。李永乐老师在视频中对拜占庭将军问题和区块链进行了讲解，他表示，拜占庭将军问题本质上指的是，在分布式计算机网络中，如果存在故障和恶意节点，是否能够保持正常节点的网络一致性问题。在近40年的时间里，人们提出了许多方案解决这一问题，称为拜占庭容错法。例如兰波特自己提出了口头协议、书面协议法，后来有人提出了实用拜占庭容错PBFT算法，在2008年，中本聪发明比特币后，人们又设想了通过区块链的方法解决这一问题。区块链通过算力证明来保持账本的一致性，也就是必须计算数学题，才能得到记账的权力，其他人对这个记账结果进行验证，如果是对的，就认可你的结果。与拜占庭问题比起来，就增加了叛徒的成本。[2020/5/14]

在展开说明之前，需要先安利几个概念：

非对称加密：也叫公开密钥加密，它是通过密码学的算法生成一对公私钥，公钥对外公开，私钥由本人保管。它有两个

动态 | 浙江卫视节目科普支付宝区块链防伪溯源产品:昨日，在浙江卫视播出的科普综艺栏目《智造将来》现场，支付宝首次展示了支付宝区块链防伪溯源产品，以接地气的方式公开向大众展示区块链在生活中的应用。[2019/3/4]

用途：一，他人可以将数据用公开的公钥加密后传输给公钥持有人，公钥持有人使用对应的私钥将数据解密，读取信息，通过这种方式，可以保证

信息传输的安全性；二，公钥持有人可以使用私钥对

信息签名，然后将信息和签名一起发送给他人，他人可以通过公钥对信息签名进行验证，验证签名信息与发送信息一致，则证明信息是由公钥持有人发出，可以在不暴露公钥持有人身份和私钥的情况下，确保信息来源的可靠性。（参考链接：

https://en.wikipedia.org/wiki/Public-key_cryptography）

哈希算法：也叫散列函数，可以通过它将数据量较大的消息或者数据计算出一个格式固定，数据量较小的

动态 | 美国演说家Anthony Robbins开始科普什么是比特币:美国演说家安东尼·罗宾（Anthony Robbins）在自己的网站上发布了一篇比特币的科普文章，并在推特上向自己的粉丝介绍什么是比特币，目前他的推特账户共有粉丝304万人。[2019/1/1]

数字摘要。好的哈希算法应该是

不可逆的，

敏感的，

防冲突的。（参考链接：

https://en.wikipedia.org/wiki/Hash_function）

比特币里的公钥和私钥：比特币世界里，用来确定比特币归属的是按照比特币协议生成的一对对公钥和私钥，它们通过非对称加密算法生成，

公钥通过两次

哈希算法运算

得到一个散列值，再经过

Base58Check编码生成了我们常见到的比特币的

声音 | 火星人朋友圈科普RAM:火星人在朋友圈发文称，“什么是RAM？简单来说就是EOS这个国家的土地，所有的经济行为都离不开土地。只要EOS的BP们能投票形成一个稳定的供给预期，并且不改变目前的Bancor算法，那么RAM后续的价格有可能会像北上广深的房价走势。房价下跌不行，房价过快上涨也不行，EOS的生态越来越像某国了，真有意思。”[2018/7/6]

钱包地址。所以钱包地址经过解码后，就可以得到对应公钥的哈希，可以用于验证私钥签名，加密数据等等。

UTXO：Unspenttransactionoutput，未花费的交易输出，它是比特币世界里的

抽象货币，每个UTXO都被一个

公钥锁定，只有持有该公钥对应私钥的人，可以

通过私钥签名并使用该UTXO。可以把UTXO理解为

抽象的纸币，但它的面值不是固定的。（参考链接：

财政部副部长朱光耀：数字经济还处在发展的过程中，要以科普、推动的态度来推进数字经济发展:今日，在中国发展高层论坛2018年会上，财政部副部长朱光耀表示：“数字经济还处在发展的过程中，要以科普、推动的态度来推进数字经济发展。也要关注数字经济的其他影响，包括税收征管、反监管措施等要跟上。”[2018/3/25]

https://en.wikipedia.org/wiki/Unspent_transaction_output）

抛开代码，我们接下来看看比特币的交易是怎样的一个过程：

如下图，有甲、乙、丙、丁四个人，他们都有比特币钱包，钱包私钥自己持有，钱包地址在比特币网络公开，用于UTXO的锁定和验证。

起始，甲给丙0.7BTC，在比特币网络里的记录是

UTXO(1)：甲给丙0.7BTC；乙给丙0.5BTC，在比特币网络里的记录是

UTXO(2)：乙给丙0.5BTC。此时，丙的比特币钱包的账户余额为这两个UTXO之和，

丙的比特币总数=UTXO(1)+UTXO(2)=1.2BTC。如下图：

这天，丙向丁买了一批货物，需要向丁支付0.8BTC。丙通过比特币网络向丁转账，但丙现有的两个UTXO均不足0.8BTC，需要将两个UTXO一起使用，

类似现金交易：给丁支付1.2BTC，丁找给丙0.4BTC。但在比特币网络中，这个

找零的工作是由丙自己发起的。

整个交易的流程如下：

丙通过比特币钱包准备交易信息，交易信息包括输入和输出两个部分，输入是UTXO(1)和UTXO(2)，以及丙的钱包私钥签名

交易的输出是未确认的UTXO(3)：丙给丁0.8BTC，这个新的UTXO指向丁的钱包公钥，待交易确认后，将被丁的钱包公钥锁定。

此时还有0.4BTC需要找零给丙，因此还需要输出一个未确认的UTXO(4):丙给丙0.3999BTC，这个新的UTXO指向丙的钱包公钥，待交易确认后，将被丙的钱包公钥锁定。

为什么找零的数额不是0.4BTC呢？因为比特币网络要求，交易转账，需要向比特币网络支付交易手续费。剩余0.0001BTC未指向任何钱包公钥，将作为转账手续费支付给打包这笔交易的矿工。

交易信息准备完毕后，经过丙的钱包验证交易合法后，将交易广播到比特币网络中，由挖矿节点验证交易后，打包交易，并向比特币网络广播，交易完成。

旧的UTXO被消耗，新的UTXO开始生效，此时丁的钱包里有一个未使用的UTXO(3):丙给丁0.8BTC，丙的钱包里有一个未使用的UTXO(4):丙给丙0.3999BTC。

以上是较为抽象的比特币交易的过程，有关比特币交易的构造，签名验证，节点验证，交易广播，加入挖矿节点mempool，矿工构造预备区块，以及最终的出块确认的过程，后续会分别介绍，本篇不做展开。

从这个抽象的交易过程，我们可以发现，比特币的交易实质上是一堆UTXO的输入和输出的过程，伴随旧的UTXO被消耗，新的UTXO产生，完成了一次又一次的比特币交易。交易的过程由非对称加密和哈希算法进行双重保护，比特币持有者可以放心完成交易而不必担心身份被泄露，交易过程中也消耗了一部分比特币，用于奖励打包交易的矿工，使矿工乐于完成自己维护比特币网络的任务。

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