一起来探索区块链的奥秘

To Explore Blockchain

打开一切科学的钥匙都毫无异议地是问号，我们大部分的伟大发现都应当归功于如何？而生活的智慧大概就在于逢事都问个为什么？

——巴尔扎克

本系列内容包含：基本概念及原理、密码学、共识算法、钱包及节点原理、挖矿原理及实现。

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转账流程

大家都知道，我们日常使用银行卡进行转账的时候，一般需要填入户名、对方的账号、转账金额以及一些转账附言，接着输入密码以后，就把资金转到对方的账户了。

那这个流程背后的整个系统是如何运转的呢？

假如张三在招商银行开的户，他要将一笔资金转到李四在工商银行的开户行。

那么张三提交转账申请后，其转账卡所在招商银行支行，验证了用户名和密码以后，会将这笔交易提交给招商银行的总行，然后由招商银行的总行将这笔交易，发送给中国人民银行大额或小额的支付系统。

最后，这笔转账交易到达了李四开户的银行工商银行总行，并逐级向下，最终到达李四开户的网点支行。

区块链转账系统又是如何运转的呢？拿比特币系统来说，它是一种点对点的电子现金系统，我们具体看一下整个过程是如何运转的，大家看一下比特币白皮书中的流程图。

假如张三需要向李四转 10 个比特币，

首先张三需要打开自己的数字货币钱包，然后扫描或者输入李四的钱包地址，接着张三填入需要转账的金额，以及选择对应的手续费之后（手续费高低对应转账速度），最后输入支付密码，点击发送，就完成了。

这整个过程和传统转账的交易是很类似的，都是需要输入对方的账户、转账金额以及支付密码，然后点击发送，最后资金到达对方账号或钱包，交易完成。

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区别

两者之间关键是中间资金流转部分的区别。

首先，张三的钱包通过其私钥对交易进行签名，钱包将签名的交易广播到所有这个钱包连接的比特币节点上。

第二步，这些节点，广播到比特币的其他节点，所有节点都将对这个交易的合法性进行验证。

第三步，如果这个交易是合法的，那么这个交易将会放到待打包的交易序列中，也可以称之为内存池或者交易池，列表中的交易被称为未确认交易。

第四步，比特币矿工会从节点中获得待打包的交易，并开始构建下一个区块，也就是挖矿。

第五步，当矿工挖出一个符合要求的区块后，矿工会将这个区块第一时间广播给系统的所有节点。

第六步，所有节点对广播过来的区块进行验证。如果验证通过，将这个区块添加到本地的账本。

最后，李四的钱包连接到新的节点，新节点的区块中包含了张三的转账信息，这时李四就通过自己钱包就看到了这笔转账成功。

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运转原理

请大家思考两个问题：

1. 为什么使用张三的私钥进行签名，就可以被全网的所有节点接？。

2. 这笔交易中已经包含了张三签名，也就是别人都有了张三的签名，那是否后续别人也可以用这个签名仿张三的签名，把张三的资金偷走？例如模仿一张支票的签名来伪造其它支票。

这里就涉及到密码学中的一个非对称加密的相关知识，后续我们再详细讲解这部分的知识。今天主要简单介绍一下非对称加密算法在这里的用法。

大家常常听到的加密算法一般是对称加密，也就是通讯双方都具有双重的钥匙。

举个例子，对称加密就好比给一个门装上锁，只有有钥匙的人才能开门，但是所有人的钥匙都是一样的，这就是对称加密。

而非对称加密与对称加密最大的不同就是：通讯双方不需要有相同的钥匙。

就好比甲用了钥匙 A 把门锁上，乙可以用钥匙 B 把门打开，这两把钥匙对应非对称加密中的私钥和公钥。

私钥和公钥是一一对应的，由私钥可以产生公钥，但是由公钥不能反推回私钥。

非对称加密的流程。

1. 发送方生成公钥和私钥；

2. 使用私钥对数据进行签名；

3. 得到签名后的密文；

4. 将密文和公钥发送给接收方；

5. 接收方通过公钥对密文进行解密。

6. 证明密文是经过发送方的私钥签名的。

其实这里就解答了第一个问题，因为张三使用私钥对交易数据进行了签名，同时全网都可以有张三的公钥，通过公钥和签名就可以验证交易的合法性。

我们再来看一下第二个问题。

如果李四收到了张三转的 10 个比特币，他是否可以把这个交易继续广播到比特币网络中，从而不断的从张三的账户中转出 10 个比特币呢？

这个答案是：肯定不行。我们可以看一下交易结构。

在每个比特币交易结构中都包括：输入（input）以及输出（output）两部分。

输出中包括了收款方的信息，比如上面的数量和锁定脚本。锁定脚本指定了接收者的比特币地址，以及什么情况下，这个比特币可以被花费。

而上面的输入，包括了前序交易的 ID，前序交易的序号决定了输入在交易中排第几，以此解锁脚本。

前去交易的这些信息被称为 UTXO （未花费交易）。

由于每个 UTXO 只能被使用一次，所以即使张三需要继续给李四转 10 个比特币，由于前面的 input 已经变化了，所以签名内容也会完全不同。从而，即使相同的交易，也不能被重复的广播到比特币的网络中。

我们继续看一下 UTXO，有人可能会问，如果我这一个 UTXO 都用完了，后面我怎么转账呢？

其实我们日常生活中大家常用的，比如说银行、支付宝、微信这些，大家比较熟悉的是一个账户模型：我有一个账户，账户里有一个余额，我转出多少，账户就剩多少，每个人有一个或者多个账户。

这种模型是大家非常容易理解的，但是 UTXO 模型与账户模型有很大的不同。

个人理解 UTXO 模型更像是支票，就好比在比特币网络中是一张张比特币支票在不断的流转，当有一笔比特币转入的时候，就产生了一个新的 UTXO，当向外转账的时候，钱包将会选择一个足够金额的 UTXO 作为交易的输入。

然后将找零金额和找零地址，作为交易的输出，构建在这笔交易中，当这笔交易被比特币网络确认的时候，这个交易中使用的一个 UTXO 就失效了。

同时因为有一个作为找零的输出，所以这个钱包就得到了一个新的 UTXO，就相当于又得到了一个新的支票。

由于前面的 UTXO 已经失效了，所以说对应的签名肯定也是失效，因此也就不能被重复使用。

这里问大家一个问题：既然我知道了张三的地址和公钥，那为什么不能从这个地址和公钥反推回他的私钥呢？

假如李四有张三的地址和公钥以后，反推回张三的私钥，李四不就可以把张三的钱花掉了吗？是什么机制保证保证了这个不可逆呢？

请往下看

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公、私钥的转换过程

私钥是通过椭圆曲线的算法得到了公钥，公钥经过多次的哈希运算，得到了这个公钥的哈希，之后再通过 Base58 的编码得到了地址。

整个过程中，从私钥到公钥，以及公钥到哈希的过程信息多次被压缩，都是单向的，也都是不可逆的。所以说，通过公钥的哈希是无法得到公钥的，也同时无法得到私钥。

而私钥从何而来的呢？私钥其实就是一个随机数。这个随机数的范围是 1~2 的 256 次幂，范围大约是 10 的 77 次方。目前宇宙中可见的粒子大约是 10 的 80 次方。

拿比特币来说，比特币全网已经使用过的粒子，也就是全球的地址大约是 2400 万，也就是 10 的 8 次方。大家可以想象一下这两个空间之间数量级差了多少，所以说比特币地址的空间是非常非大的，发生碰撞或重名的机会微乎其微。

有的朋友也听说过一件事情，就是某一个人注册了一个新的数字货币钱包，但是这个钱包创建完成以后，他看到这个钱包有过交易记录。简单的说就是他创建的这个个钱包曾经被别人使用过。

那是到底什么情况会发生这种事情呢？

一种情况是真的发生了碰撞，就好像高能粒子对撞机，每几十亿次实验就会发生几个粒子的碰撞。虽然碰撞的概率非常小，但并不是不能发生。

另一种情况就是由于钱包开发者或供应方的原因，钱包的随机数生成模块有问题，导致了钱包的随机数空间非常小。这样会指数级的提高发生碰撞的概率。

（后面我们会在钱包的分类应用中详细的介绍这些知识。）

我们通过下面的图来总结一下：

首先是私钥产生一个随机数；这个随机数通过椭圆曲线的转换得到公钥；公钥经过 SHA-256 以及 RIPEMD-160 转换得到公钥哈希；最后经过 Base58 编码得到比特币的地址。

大家可以看到从私钥-公钥-公钥哈希-地址这个流程，信息被多次压缩，除了最后一步 Base58 是可逆的以外，其余只要数据压缩，就会造成数据的丢失。所以说这个过程是绝对不可逆的，这也保证了数字货币的安全。

这里大家可以预先思考一个问题：既然从私钥到公钥是不可逆的，那为什么我们不使用公钥来做数字货币的接收地址，而必须把公钥转成公钥哈希，之后再经过 Base58 转换成接收地址呢？

我们将在下期进行解答

—— E N D ——


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来源：X平行线