比特幣:科普 | 比特幣的提出動機是什么？能夠解決什么問題？

文章有點長，但看完一定能讓你明白比特幣的三生三世，其中包括提出比特幣的動機、能夠解決什么問題、關鍵組件和設計方案在這篇文章中展現的淋漓盡致。

有一個村莊名叫叫“比特村”，他們的交易方式就是以物易物。為什么會是以物易物呢？而不是像我們一樣直接用錢去買？

1、初始，以物易物的日子很滿足

比特村與世隔絕，過著自給自足的生活，村民們沒有進行過大規模的交易活動，只圍繞著雞鴨鵝兔等商品之間直接交換，而沒有中間流通介質，也就是說沒有貨幣流通。

2、實物貨幣應運而生

老張不想拎著重重的面粉再去換老李的羊了，他想用一個中間的流通介質代替面粉，直接去老李家買羊。要不怎么說社會的發展都是由“懶人”推動的，經過大家共同商議決定分割一些稀有的金屬或者貝殼來充當和貨物等值的流通介質，這個過程需要細分，例如，1g黃金等于1袋面粉。比特村就此進入了實物貨幣時代。

3、進一步發展為符號貨幣

好景不長，金屬磨損過于嚴重、丟失或故意囤積而導致總量損耗嚴重的情況，起初10g的黃金經過100次交易以后，本來能買10袋面粉，現在只能買9袋，但中間的這個損失卻不知道由誰來承擔。

這個時候村長提出來“紙質黃金”，由村里多位德高望重的人集體在紙上寫上10g黃金，那這張紙就能代表10g黃金，而且造假的難度很大，不會出現通貨膨脹，大家再次達成共識。

如果磨損嚴重大家就可以找到村長一干人等重新再寫一張，之前的作廢。此時，比特村進入了符號貨幣時代。而老村長就承擔了政府和銀行的角色。

4、中央系統虛擬貨幣

日子沒過幾年老村長操勞過度去世了，由兒子二狗子擔任新一任村長。年輕人總有很多新想法，他將村民的紙幣全部收上去，如果有人要進行交易就要經過他的記賬，大家的通識再次達成。

由二狗子擔任中間記賬者的角色，例如老張要拿1克金子向老李換1只羊，他倆需要一起給二狗子打電話，說明要將老張的1克金子劃歸老李，二狗子拿出賬本，看看老張名下是否有1克金子，如果有就在老張的名下減掉1克，在老李的名下加上1克，此時老李在電話中聽到二狗子確認轉賬完成，就可以放心讓老張把羊牽走了。

民盟中央建議加速元宇宙科普和立法:3月4日消息，民盟中央已起草了《關于“元宇宙”技術發展的提案》，并將提交全國政協十三屆五次會議。在提案中，民盟中央建議，在科普層面需加速知識傳播，法律層面則需加快立法步伐。民盟中央擬提交的提案指出，目前，在新興網絡層面，相關政策法規相對缺失。“元宇宙”在未來將會帶動形成全新的網絡形態，當遇到突發輿情，全虛擬的環境、場景將更難進行源頭追蹤、問題疏導。因此建議應盡早加快立法研究，盡快形成與技術、市場發展相適應的治理模式和法律基礎，全面提升我國社會治理的水平。建議組織相關部門，針對“元宇宙”相關需求、風險進行立法研究，并盡快發布。此前消息，民進中央擬向全國政協十三屆五次會議提交《關于積極穩妥推進元宇宙技術和產業發展的提案》。建議推進元宇宙技術產業發展，建立相關監管治理體系。（華夏時報）[2022/3/4 13:37:12]

此時比特村進入了中央系統虛擬貨幣時代。每個村民都不需要用實物支付，支付過程變成了二狗子維護賬本上數字的變更。

5、分布式虛擬貨幣

二狗子開始有野心了，他開始覬覦村民賬本上的金子，二狗子私下將老張賬上的10g金子劃給了自己。這個賬本是可以被村民查閱的，老張發現自己賬上少了10g金子，二狗子沒想到老張竟然也有記賬的習慣，老張用自己的賬本和二狗子的賬本進行對比發現了那筆未經老張審核的轉賬。

東窗事發！比特村炸開鍋了。二狗子被大家彈劾下臺。不過大家也發現了賬本集中在一個人手里的弊端：

·這個體系完全依賴于賬本持有人的個人信用，如果這個人不守規矩，隨意篡改賬本，那么整個貨幣系統就會崩潰

·如果這個人家里失火或者賬本失竊，同樣也會為整個體系帶來毀滅性的打擊

6、比特幣的虛擬貨幣系統

由于問題出來的匆忙，村里早已亂成一鍋粥，大家紛紛守好自己的錢袋子不再信任任何人。

這時候村里一個叫中本聰的宅男科學家走上了臺，告訴大家他已經設計了一套不依賴任何中央處理人的叫比特幣的虛擬貨幣系統，可以解決上述問題。然后他緩緩講述了自己的方案。我們先來看看他的方案具體是什么樣的？

一、基礎設施搭建

1、賬簿公開機制

中本聰首先說明，要對現有賬簿進行如下改造：

1.賬簿上不再記載每戶村民的余額，而只記載每一筆交易。即記載每一筆交易的付款人、收款人和付款金額。只要賬簿的初始狀態確定，每一筆交易記錄可靠并有時間作為依據，當前每個人持有多少錢是可以推算出來的。

2.賬簿由私有改為公開，只要任何村民需要，都可以獲得當前完整的賬簿，賬簿上記錄了從賬簿創建開始到當前所有的交易記錄。

人大附中物理老師李永樂科普拜占庭將軍問題和區塊鏈:5月14日，人大附中物理老師、科普視頻網紅李永樂在其公眾號發布視頻《拜占庭將軍問題是什么？區塊鏈如何防范惡意節點？》。李永樂老師在視頻中對拜占庭將軍問題和區塊鏈進行了講解，他表示，拜占庭將軍問題本質上指的是，在分布式計算機網絡中，如果存在故障和惡意節點，是否能夠保持正常節點的網絡一致性問題。在近40年的時間里，人們提出了許多方案解決這一問題，稱為拜占庭容錯法。例如蘭波特自己提出了口頭協議、書面協議法，后來有人提出了實用拜占庭容錯PBFT算法，在2008年，中本聰發明比特幣后，人們又設想了通過區塊鏈的方法解決這一問題。區塊鏈通過算力證明來保持賬本的一致性，也就是必須計算數學題，才能得到記賬的權力，其他人對這個記賬結果進行驗證，如果是對的，就認可你的結果。與拜占庭問題比起來，就增加了叛徒的成本。[2020/5/14]

公開賬簿讓村民無法接受，為什么自己的資產數量要讓別人知道，這樣隱私不就完全暴露了嗎？鑒于村民們的種種擔心和疑慮，中本聰說了一個方法就是身份與簽名機制。

2、身份與簽名機制

在這套機制下，任何人都不使用真實身份交易，而是使用一個唯一的代號交易。

他展示了手里神奇的東西，說這兩件東西分別叫保密印章和印章掃描器。后面他會給村里每一戶發一個保密印章和一個印章掃描器。兩者的作用如下：

·保密印章可以在紙上蓋一個章，每個印章蓋出的章都隱含了一個全村唯一的一串字符，但是憑肉眼是看不出來的。也無法通過觀察來制造出相應的印章。

·印章掃描器可以掃描某個已經蓋好的章，讀出隱含的信息，并在液晶屏上顯示出一串字符。

有了這兩個神奇的東西，大家就可以在不暴露真實身份的情況下進行交易了，而印章隱含的那一串字符就是這戶人家的代號。

4、成立虛擬礦工組織

中本聰面向全村招募虛擬礦工，招募要求如下：

·礦工以組為單位，一組可以是單獨的一戶，也可以是幾戶聯合為一組

·成為礦工不影響正常使用貨幣

·礦工每天要花費一定時間從事比特幣“挖礦”活動，但是不同于挖金礦，虛擬礦工不需要拿著工具去野外作業，在家里就可以完成工作

·礦工有一定可能性獲得報酬，在挖礦活動中付出的越多，獲得報酬的可能性越大

·礦工可以隨時退出，也可以隨時加入新的礦工

很快，大約有1/5的村民加入比特幣礦工組織，共分成了7個組。

二、建立初始賬簿

中本聰說，將二狗子手里的賬簿當作依據，把抵押的所有黃金按賬簿記錄的余額退還給每位村民，然后徹底銷毀這本賬簿。

再用一本新賬簿，在賬簿的第一頁上記錄了一些交易記錄，與之前不同的是，這些記錄的付款人一欄全都是“系統”，而收款人分別是每個印章對應的隱含字符。

現場 | 火幣中國推出數字經濟及區塊鏈產業科普新書:金色財經現場報道，12月6日，由海南省工業和信息化廳主辦，南南合作金融中心協辦，海南生態軟件園、火幣中國承辦的“海南自貿港數字經濟和區塊鏈國際合作論壇”在海口舉行，這是全球首次區塊鏈部長級論壇。

在本次論壇上，火幣中國舉行了“數字經濟及區塊鏈產業科普系列新書發布”儀式，希望通過教材、專業教育、培訓等多種方式，幫助從業者、高校、研究機構深入了解區塊鏈，從而建立起區塊鏈全局性知識模型，真正推動區塊鏈應用落地。火幣中國CEO袁煜明介紹，將聯合機械工業出版社面向普通高等教育推出《區塊鏈導論》、《區塊鏈系統設計與應用》和《區塊鏈新商業模式分析》系列教材，這是國內最早推動的區塊鏈教材之一；火幣中國還積極參與數字經濟的研究，由中信出版社出版的新書《讀懂Libra》已經上市；由火幣中國負責編寫的區塊鏈技術科普讀物《區塊鏈技術進階指南》將于12月面世；首本行業內最全的區塊鏈應用案例集《區塊鏈產業應用100例》在本次論壇進行了首次刊印。[2019/12/6]

代表初始時刻，系統為每一戶默認分配了一定數量比特幣，但是數量非常少，都只有幾枚，甚至有些不幸的村戶沒有獲得比特幣。

接著中本聰表示，由于當前市面上比特幣非常少，大家可以先回到用黃金做貨幣的時代，由于我不是村長，我也沒有權利強迫大家一定要承認比特幣，大家可以自行決定要不要接受比特幣。

不過隨著比特幣的流動和礦工的活動，比特幣會慢慢多起來。

三、支付與交易

接下來我們以老張付給老李10個比特幣為例來具體看一下這個交易的流程。

1、付款人簽署交易單

為了支付10個比特幣，老張首先要詢問老李的標識字符串，例如是“ABCDEFG”，而老張也有一個標識字符串例如是“HIJKLMN”，轉賬的單子就出來了，內容為“HILKLMN支付10比特幣給ABCDEFG”，老張用自己的保密印章蓋章，然后將這張單子交給老李。

為了便于追溯這筆錢的來源，還要在單子里注明這筆錢的來源記在哪一頁。

例如老張的10比特幣來自建立賬簿時系統的贈送，記錄在賬簿第10頁。

2、收款人確認單據簽署人

老李拿到單子需要確認是否來自“HIJKLMN”這個人簽署的，這個并不困難。

因為單子上必須有保密章，老李拿出印章掃描器便可驗證，如果液晶屏顯示出的字符和付款人字符是一致的，就可以確認單子確實是付款人簽署的。

3、收款人確認付款人余額

之前的中央虛擬貨幣系統中，二狗子負責檢查付款人的余額，并通知收款人交易是否有效，現在二狗子被開了，誰來負責記賬和確認每筆交易的有效性呢？

聲音 | 上海股交所總經理：區塊鏈想要大規模發展要做好社會科普工作:金色財經報道，上海股交所總經理張云峰表示，區塊鏈當前還處于一個“概念”的階段，距離成熟應用，影響到百姓的日常生活還有很長的路要走。對于“區塊鏈”和其會帶來的社會和經濟效果，沈陽應當持審慎的態度。區塊鏈想要大規模發展，一方面要做好這項復雜技術的社會科普工作，加快社會大眾對區塊鏈的了解。另一方面，要充分發揮市場的作用，讓企業用實實在在的技術創新，賦能實體經濟的發展。[2019/11/17]

這個系統是分布式貨幣系統，不依賴任何中央人物，因此不會有一個或少數幾個人負責這件事，最終承擔這份工作的是礦工組織。

四、礦工的工作

礦工的工作是整個系統的核心，也是最復雜性最高的地方。我們來看一下礦工的工作內容和目的。

1、礦工的工具

比特幣礦工不用鐵撅、鐵锨和探照燈等工具，不過也要有一些必備的東西。

初始賬簿。每個組首先自己復制一份初始賬簿，初始賬簿只有1頁，記錄了系統的第一次贈送

空賬簿紙。每個小組有若干賬簿紙，每一頁紙上僅有賬簿結構，沒有填內容，具體如下：

編碼生成器。中本聰向礦工組織的每個組分發了若干編碼生成器，這個東西可以將一頁賬簿填好內容的賬簿紙放入這個機器，機器會在賬簿紙的“本賬單編號”一欄自動打印一串由“0”和“1”組成的編號，共256個。最神奇的是，編號生成器有如下功能：

·生成的編號僅與賬簿紙上填入的內容有關，與填寫人、字體、填寫時間等因素均無關

·內容相同的賬簿紙生成的編號總是相同，但是如果內容哪怕只改一個字符，編號就會面目全非

·編碼生成器在打印編碼時需要將所有填入賬簿紙的交易單放入，機器會掃描交易單和填入交易單的一致性，尤其是保密印章，如果發現保密印章和付款人不一致，會拒絕打印編碼

·將一張已打印的賬簿紙放入，機器會判定編號是否是有效的機器打印，并且判定編號和內容是否一致，這個編號無法偽造

·交易單收件箱。每個礦工小組需要在門口掛一個箱子用于收集交易單。

·公告板。每個礦工小組同樣需要一個公告板公示一些信息。

有了上面的工具，礦工組織就可以開工了！

2、收集交易單

中本聰規定，每筆交易的發起人，不但要將交易單給到收款人，還要同時復制若干份一模一樣的交易單投遞到每個礦工小組的收件箱里。

礦工小組的人定期到自己的收件箱里把收集到的交易單一并取出來。

聲音 | 中科院姚建銓：要加快推進區塊鏈與物聯網融合的科普 培訓:據新華網消息，日前，在區塊鏈與物聯網融合發展峰會上，中國科學院院士姚建銓說，關注區塊鏈技術里面的大數據，跟區塊鏈技術結合起來進行測量和檢測，能更好地提升激光清洗技術。姚建銓建議，無錫今后要加快推進區塊鏈與物聯網融合的科普、培訓，正確引導廣大人民群眾對技術的認知；同時，建立專業、權威，但又普適、成套的理論體系和標準，以此切入區塊鏈的實際應用。[2018/9/18]

3、填寫賬簿

此時小組的人拿出一張空的賬簿紙，把這些交易填寫到“交易清單”一欄，同時找到當前賬簿最后一頁，將最后一頁的編號抄寫到“上一張賬單編號一欄”。

注意還有個“幸運數字”，可以隨便填上一個數字，如12345。然后，將這樣賬簿紙放入編號生成器，打印好編號，一張賬簿就算完成了。

如果你以為礦工的工作就這么簡單，那就大錯特錯了，中本聰有個變態的規定：只有編號的前10個數均為0，這頁賬簿紙才算有效。

根據之前對編號生成器的描述，要修改編號，只能修改賬簿紙的內容，而“交易清單”和“上一張賬簿紙編號”是不能隨便改的，那么只能改幸運數字了。

如果編號的每一個數字都是隨機的，那么平均寫1000多張幸運數字不同的紙才能獲得一個有效的編號。

于是為了生成有效的賬簿紙，小組里的礦工就不斷抄寫賬簿紙，但每張紙的幸運數字都不同，然后不斷的重復將紙放入編碼器，如果生成的編號不符合規定，這張紙就算廢了，重復這個過程直到生成一串有效的編號。

還記得之前說過礦工有報酬吧，這就是礦工的動力了。

中本聰規定：每一張賬簿紙的交易清單第一條交易為“系統給這個小組支付50個比特幣”。也就是說，如果你生成了一張有意義的賬簿紙，并且被所有挖礦小組接受了，那么就意味著這條交易也被接受了，你的挖礦小組獲得了50個比特幣。

這就是這些礦工為什么要拼命干這看似無意義的事情的原因了。

例如下面是一個挖礦過程，這個小組的公共比特幣帳號為“UVWXYZ”。

在幸運數字嘗試到“533”時，系統生成了一頁有效賬簿。

4、確認賬簿

當某挖礦小組幸運的生成了一張有意義的賬簿，為了得到獎勵，必須立刻請其它小組確認自己的工作。

前面說過，當前村里有7個挖礦組，所以這個小組必須將有效賬簿紙謄抄6份快馬加鞭送到其他6個小組請求確認。

中本聰規定，當某個小組接到其他小組送來的賬簿紙時，必須立即停下手里的挖礦工作進行賬簿確認。

需要確認的信息有三個：

1.賬簿的編號有效

只要將送來的賬簿紙放入編碼生成器進行驗證，如果驗證通過，則編號有效。

2.賬簿的前一頁賬簿有效

需要將賬簿頁上的“上一頁賬簿紙編號”和這個小組目前保存的有效賬簿最后一頁編號比對。

如果相同則確認；如果不同，需要順著已有賬簿向前比對，直到找到這個編號的頁。

如果沒有找到指定的“上一頁賬簿紙編號”對應的頁，這個小組會將此頁丟掉。不予確認。

3.交易清單有效

就是要確認當前每筆交易的付款人有足夠的余額支付這筆錢。

交易信息里包含這筆錢是如何來的，還包含了記錄來源交易的賬單編號。

例如，HIJKLMN要給ABCDEFG10個比特幣，并注明了這10個比特幣來自之前OPQRST支付給HIJKLMN的一筆交易。確認時首先要確認之前這筆交易是否存在，同時還要檢查HIJKLMN在這之前沒有將這10個比特幣支付給別人。

這一切確認后，這筆交易有效性就被確認了。

如果完成了所有了上述驗證并全部通過，這個小組就認可了上述賬簿紙有效，然后將這張賬簿紙并入小組的主賬簿，舍棄目前正在進行的工作，后面的挖礦工作會基于這本更新后的主賬本進行。

5、賬簿確認反饋

對挖礦小組來說，當賬簿紙送出去后，如果后面有收到其他小組送來的賬簿紙，其“上一頁賬簿紙編號”是自己之前送出去的賬簿紙，那么就表示他們的工作成功被其他小組認可了，因為已經有小組基于他們的賬簿紙繼續工作了。此時，可以認為已經得到了50個比特幣。

以上就是整個比特幣的支付體系。

我們來分析一下這個體系為什么可以工作下去，和這個體系可能面臨的風險。

五、核心問題答疑

第一個問題：如果同時收到兩份合法的賬簿頁怎么辦？

各個挖礦小組是并行工作的，因此完全可能出現這樣的情況：某小組收到兩份不一樣的賬簿頁，它們都基于當前這個小組的主賬簿的最后一頁，并且內容也都完全合法，怎么辦？

關于這個問題，中本聰說，小組不應該以線性方式組織賬簿，而應該以樹狀組織賬簿。任何時刻，都以當前最長分支作為主賬簿，但是保留其它分支。舉個例子，某小組同時收到A、B兩份賬簿頁，經核算都是合法的，此時小組應該將兩頁以分叉的形式組織起來，如下圖所示：

黑色表示當前賬簿主干。此時，可以隨便選擇一個頁作為當前主分支，例如選擇A：

此時如果有一個新的賬簿頁是基于A的，那么這個主干就延續下去：

如果這個主干一直這么延續下去，表示大家基本都以A為主干，B就會被遺忘。但是也有可能忽然B變成更長了：

那么我們就需要將B分支作為當前主干，基于這個分支進行后續工作。

從局部來看，雖然在某一時刻各個小組的賬簿主干可能存在不一致，但大方向是一致的，那些偶爾由于不同步產生的小分支，會很快被淹沒在歷史中。

第二個問題：如果挖礦小組有人偽造賬簿怎么辦？

只要挖礦組織中大多數人是誠實的，這個系統就可靠，具體分幾個方面：

首先，基于保密印章機制，沒有人能偽造他人身份進行付款，因為編碼生成器在打印編碼時會核對所有交易單的保密印章，印章和付款人不一致會拒絕打印。

而且誠實的礦工也不會承認不合法的交易。

所以只有一種可能的攻擊行為，即在收款人確認收款后，從另一條分支上建立另外的交易單，取消之前的付款，而將同一筆錢再次付款給另一個人。下面同樣用一個例子說明這個問題。

先假設有一個攻擊者擁有10個比特幣，他準備將這筆錢同時支付給兩名受害者A和B，并都得到承認。

第一步，攻擊者準備從受害者A手里買10比特幣的黃金，他簽署交易單給受害者A，轉10個比特幣給受害者A。

第二步，這筆交易在最新的賬簿頁中被確認，并被各個挖礦小組公告出來。受害人A看到公告，確認比特幣到賬，給了攻擊者10個比特幣等值的黃金。

第三步，攻擊者找到賬簿，從包含剛才交易的賬簿頁的前一頁做出一個分支，生成更多的賬單頁，超過剛才的分支。由于此時剛才攻擊者制造的分支變成了主干分支，而包含受害者A得到錢的分支變成了旁支，因此挖礦組織不再承認剛才的轉賬，受害者A得到的10比特幣被取消了。

第四步，攻擊者可以再次簽署交易單，將同一筆錢支付給受害者B。受害者B確認錢到賬后，支付給攻擊者等值黃金。

至此，攻擊者將10個比特幣花了兩次，從兩名受害者那里各購得等值黃金。攻擊者還可以如法炮制，取消與受害者B的轉賬，將同一筆錢再支付給其他人。

中本聰解釋道，之前設定變態的編號規則，正是為了防御這一點。

如果某賬簿頁包含你收到錢的確認，并且在后面又延續了6個，那么攻擊者想要在落后6頁的情況下從另一個分支趕超當前主分支是非常困難的，除非攻擊者擁有非常多的人力，超過其他所有誠實礦工的人力之和。

而且，如果攻擊者有如此多人力，與其花這么大力氣搞這種攻擊，還不如做良民挖礦來的收益大。這就從動機上杜絕了攻擊的形成。

第三個問題：比特幣會一直增加下去，豈不是會嚴重通貨膨脹？

中本聰說，我給礦工組織的操作細則手冊會說明，剛開始我們協議每生成一頁賬簿，獎勵小組50個比特幣，后面，每當賬簿增加21,000頁，獎勵就減半，例如當達到210,000頁后，每生成一頁賬簿獎勵25個比特幣，420,000頁后，每生成一頁獎勵12.5個，依次類推，等賬簿達到6,930,000頁后，新生成賬簿頁就沒有獎勵了。此時比特幣全量約為21,000,000個，這就是比特幣的總量，所以不會無限增加下去。

第四個問題：沒有獎勵后，就沒人做礦工了，豈不是沒人幫忙確認交易了？

礦工的收益會由挖礦所得變為收取手續費。例如，你在轉賬時可以指定其中1%作為手續費支付給生成賬簿頁的小組，各個小組會挑選手續費高的交易單優先確認。

第五個問題：礦工如果越來越多，比特幣生成速度會變快嗎？

不會。中本聰解釋，雖然可以任意加入和退出礦工組織，導致礦工人數變化，每個礦工也會拿到一個編碼生成器，不過我已經在編碼生成器中加入了調控機制，當前工作的編碼生成器越多，每個機器的效率就越低，保證新賬簿頁生成速率不變。

比特幣的原理及運作機制就是這樣，比特村也越來越富有了，中本聰的出現無疑不是比特村的福星。

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