比特币运行流程

一、工作流程

1. 交易创建与广播

• 用户发起比特币交易，指定接收者地址和转账金额，并用私钥进行签名。
• 交易数据会被广播到比特币网络中的所有节点。

2. 交易验证

• 网络中的节点验证交易的合法性：
  • 发送者的账户余额是否充足。
  • 交易签名是否有效，确保交易未被篡改。
• 符合规则的交易被暂存到「内存池」（Mempool），等待矿工打包。

3. 交易打包（区块创建）

• 矿工节点从内存池中选择交易，将其打包到一个新的区块中。
• 每个区块包含：
  • 交易列表
  • 上一个区块的哈希值（保证区块链连续性）
  • 一个随机数（Nonce）

4. 挖矿（工作量证明）

• 矿工通过计算哈希函数（SHA-256）寻找满足难度目标的哈希值（即「工作量证明」）。
• 计算符合条件的矿工获得记账权，并向区块链添加新区块。

5. 区块广播与共识

• 生成新区块后，矿工会将其广播到全网。
• 其他节点验证该区块的正确性，并将其添加到自己的区块链上。
• 比特币网络遵循「最长链原则」，即所有节点都会接受工作量最大的最长合法链。

6. 确认交易

• 交易被打包进区块后，用户可以查询其交易状态。
• 每当新区块被添加，该交易的「确认数」增加 1，确认数越多，交易越安全。

7. 比特币发行

• 挖矿的矿工会获得新区块的区块奖励（目前约 3.125 BTC），以及交易手续费。
• 比特币总供应量为 2100 万个，每 4 年减半一次（即「比特币减半」机制）。

整个比特币系统通过「去中心化」+「工作量证明」的方式，实现了无需可信第三方的点对点交易。

二、工作原理

比特币的工作原理基于区块链技术和 工作量证明（Proof of Work, PoW） 机制，实现去中心化的点对点交易。核心原理如下：

1. 交易与签名

比特币交易的本质是 UTXO（未花费交易输出） 转账：

• 创建交易：用户 A 想要向用户 B 发送比特币，需要提供自己的 UTXO（比特币余额）作为输入，并生成一个新的输出给 B（可能还有找零给自己）。
• 数字签名：A 使用自己的私钥对交易进行签名，以证明自己拥有这些比特币的支配权。
• 交易广播：交易数据被广播到全网，等待矿工确认。

2. 交易验证

比特币网络中的节点会通过 比特币脚本 验证交易的合法性：

• 交易输入是否对应有效的 UTXO（即比特币余额是否足够）。
• 交易签名是否有效，确保交易未被篡改。
• 交易未双重支付（Double Spending）。

验证通过后，交易被加入 内存池（Mempool），等待矿工打包。

3. 区块打包（矿工挖矿）

矿工从内存池中挑选交易，打包成一个新区块：

• 区块结构
  • 上一个区块的哈希（保证链条连续性）
  • 交易列表
  • 时间戳
  • 随机数（Nonce）
  • 当前区块的目标难度（Difficulty Target）

4. 挖矿（工作量证明 PoW）

• 矿工需要寻找一个 满足难度要求的哈希值（SHA-256）。
• 计算公式：

  Hash(上一区块哈希 + 交易列表 + 时间戳 + 随机数) < 目标值

• 矿工不断尝试不同的 Nonce，直到找到符合条件的哈希值（即小于目标难度）。
• 找到符合要求的矿工会将新区块广播到全网。

5. 区块共识（最长链原则）

• 其他节点验证新区块的合法性（检查哈希值、交易是否有效等）。
• 验证通过后，节点将新区块加入自己的区块链。
• 比特币网络采用 最长链原则：
  • 如果出现分叉，所有矿工会继续在最长的合法链上挖矿。
  • 短链上的交易可能会被抛弃，称为「孤块」。

6. 交易确认

• 交易被打包进区块后，用户可以查询交易状态。
• 交易的 确认数（Confirmations）= 交易所在区块与最新区块之间的距离。
• 确认数越多，交易越安全，通常认为 6 次确认 后交易不可逆。

7. 比特币发行机制

• 区块奖励：矿工成功挖出新区块，会获得比特币奖励（挖矿奖励）。
• 减半机制：每 210,000 个区块（约 4 年），比特币奖励减半：
  • 2009 年：50 BTC
  • 2012 年：25 BTC
  • 2016 年：12.5 BTC
  • 2020 年：6.25 BTC
  • 2024 年（预计）：3.125 BTC
• 总量限制：比特币总供应量为 2100 万枚，预计在 2140 年全部挖完。

8. 安全性与抗攻击机制

• 双重支付攻击：
  • 通过工作量证明和最长链原则防止恶意用户重复使用同一笔比特币。
• 51% 攻击：
  • 如果某个矿工或矿池控制了 51% 以上的算力，就可以修改交易记录。
  • 但在现实中，这种攻击成本极高，难以实现。
• 抗审查性：
  • 由于比特币是去中心化的，没有单一机构可以控制整个网络。

这一系列的流程及原理中，牵扯到很多重要的概念，如：

• 挖矿
• 工作量证明
• 最长链原则
• 比特币脚本
• 内存池
• 双重支付攻击
• 51% 攻击