比特币

是一种基于去中心化，采用点对点网络、共识主动性与开放源代码，以区块链作为底层技术的加密货币。

“比特币”一词，最早是由中本聪（网名）[注 5]（Satoshi Nakamoto）于2008年10月31日发表的论文中提出[7]，随后比特币创世区块于2009年1月3日诞生。九天后，中本聪向哈尔·芬尼转账10枚比特币，成为首笔交易记录。[8]比特币是历史上第一个区块链应用，其主要特征包括去中心化、总量有限、点对点交易和使用密码学确保安全性。

bitcoin系统

作为一个去中心化的区块链系统，所有人都可以访问，也可以在本地维护一个节点参与到比特币网络中，下文也会应用Bitcoin Core客户端在本地维护一个节点。

节点也分为全节点和轻节点。

• 全节点：一个会下载并验证比特币区块链完整数据，并独立按照 Bitcoin 共识规则验证交易和区块的节点

  全节点一直在线，维护着完整的区块链信息；因为其内存里维护着完整的UTXO[Unspent Transaction Output]集合，所以通过验证整个区块链的区块和交易信息（从创世区块到最新区块）来验证交易的合法性；也会决定哪些交易会被打包到区块中；验证交易即挖矿，可以决定沿着哪条链继续挖，在出现等长的分叉时，也会选择哪一个分叉；同时监听别的矿工挖出来的区块，验证合法性。

• 轻节点：Simplified Payment Verification(SPV)节点 不保存完整的区块链数据，而是只保存验证自己需要的部分数据，并依赖全节点提供其他数据的节点。

  轻节点不需要一直在线，也不需要保留整个区块链（数据量庞大），只需要保留每个区块的块头；且只需要保存与自己有关的区块，而不需要保存链上全部交易；因为并没有保存全部信息，无法验证大多数交易的合法性和网上发布的新区块的正确性，只能检验与自己有关的区块；可以通过Merkle Proof[默克尔证明]验证一笔交易存在，但不能确认一笔交易不存在；可以验证挖矿的难度，因为保存在块头中。

  Merkle Proof 是一种不用下载整个区块的所有交易，也能证明“某一笔交易确实包含在这个区块里”的方法。

  证明过程：

  假设一个区块里有 4 笔交易：

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  Merkle Root ← 整个区块交易集合的最终哈希 也就这个东西存储在区块头里 │ ┌─────┴─────┐ │ │ Hash12 Hash34 ← 两组交易哈希再计算得到的哈希 / \ / \ H1 H2 H3 H4 ← 每笔交易经过哈希得到的结果 │ │ │ │ TX1 TX2 TX3 TX4 ← 区块中的4笔交易

  如果我们要证明TX3在这个区块里，只需要TX3 + H4 + Hash12 + Merkle Root

下面通过一个示例来讲解一下全节点和轻节点的交易验证方式。

​ 假如要验证一个位于 block 300,000 的交易 T，全节点会查验全部 300,000 个区块（直到创世区块），建立一个完整UTXO的数据库来确保这个交易没有被花 费；而轻节点则会通过Merkle Path来链接所有和交易 T 相关的区块，然后等待 300,001 至 300,006 个区块来进行确认，从而验证交易的合法性。

SPV验证

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轻节点                         全节点
  │                              │
  │  “我要确认 TX3 是否在区块X”    │
  │ ───────────────────────────→ │
  │                              │
  │   返回 TX3 + Merkle路径   │
  │ ←─────────────────────────── │
  │                              │
  │ 自己计算 Merkle Root          │
  │                              │
  │ 与区块头中的 Root 比较         │

区块结构

bitcoin交易过程

A 获取 B 的比特币地址后，钱包选择 A 的 UTXO 构造交易，并设置交易手续费。A 使用对应私钥对交易进行数字签名，然后将交易广播到比特币网络。

网络节点收到交易后，会验证交易格式、UTXO、数字签名、金额等是否符合规则。验证通过后，交易进入 Mempool。矿工从 Mempool 中选择有效交易，构造候选区块并通过 PoW 竞争记账权。成功产生新区块后，矿工将其广播，其他节点验证通过后将区块加入区块链，此时交易获得第一个确认。后续区块不断产生，交易的确认数随之增加。比特币平均约每 10 分钟产生一个区块，并非交易验证需要 10 分钟。

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① A 获取 B 的地址
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② A 的钱包选择自己可花费的 UTXO
        ↓
③ 构造交易
   Inputs：A 的 UTXO
   Outputs：B 的 5 BTC + A 的找零
        ↓
④ A 使用对应私钥签名
        ↓
⑤ 广播交易
        ↓
⑥ 网络中的节点验证交易
        ↓
⑦ 合法 → 进入节点的 Mempool
        ↓
⑧ 矿工从 Mempool 选择交易
        ↓
⑨ 矿工构造候选区块并进行 PoW
        ↓
⑩ 成功挖出区块 → 广播新区块
        ↓
⑪ 其他节点验证新区块
        ↓
⑫ 区块加入区块链

比特币系统中怎么避免双重花费呢？

比特币采用了一种叫UTXO(Unspent Transaction Outputs)的概念，当一个用户收到一笔 BTC 交易时，会计入UTXO中。

在这个示例中，A 想要给 B 转账 5 个 BTC，A 的这 5 个 BTC 可能来自于两个UTXO(2 BTC + 3 BTC)，因此 A 在转账给 B 时，矿工需要检验的是这两笔UTXO在这笔交易之前有没有被花掉，如果检测已经被花费了，则交易不合法。

下图很好地阐释了多笔交易的流向和UTXO的相关概念

此外，UTXO有一个很重要的特性，不可分割，假如 A 有 20 个 BTC，他想转账 5 个 BTC 给 B，那交易会先将 20 个 BTC 作为输入，然后产生两个输出，一个向 B 转账 5 个 BTC，一个返还给 A 剩下的 15 个 BTC，因此，A 又拥有了一笔价值为 15 BTC 的 UTXO；如果单个UTXO不够支付，则可以组合多个形成输入，但总额一定要大于交易额。

矿工怎么验证交易发起者有足够的余额呢？

这个问题看起来很简单，第一反应是像支付宝这样查询一下余额是否足够就可以。但比特币是一种基于交易的账本模式，并没有帐户概念，因此并不能直接查询余额，要想知道一个帐户的剩余资产，则需要回顾以前所有的交易，并且找到所有UTXO并相加。