P2P交易原理

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比特币的交易是一种无需信任中介参与的P2P(Peer-to-peer)交易。

传统的电子交易,交易双方必须通过银行这样的信任机构作为中介,这样可以保证交易的安全性,因为银行记录了交易双方的账户资金,能保证在一笔交易中,要么保证成功,要么交易无效,不存在一方到账而另一方没有付款的情况:

bank-pay

但是在比特币这种去中心化的P2P网络中,并没有一个类似银行这样的信任机构存在,要想在两个节点之间达成交易,就必须实现一种在零信任的情况下安全交易的机制。

创建交易有两种方法:我们假设小明和小红希望达成一笔交易,一种创建交易的方法是小红声称小明给了他1万块钱,显然这是不可信的:

receive

还有一种创建交易的方法是:小明声称他给了小红一万块钱,只要能验证这个声明确实是小明作出的,并且小明真的有1万块钱,那么这笔交易就被认为是有效的:

send

数字签名

如何验证这个声明确实是小明作出的呢?数字签名就可以验证这个声明是否是小明做的,并且,一旦验证通过,小明是无法抵赖的。

在比特币交易中,付款方就是通过数字签名来证明自己拥有某一笔比特币,并且,要把这笔比特币转移给指定的收款方。

使用签名是为了验证某个声明确实是由某个人做出的。例如,在付款合同中签名,可以通过验证笔迹的方式核对身份:

signature

而在计算机中,用密码学理论设计的数字签名算法比验证笔迹更加可信。使用数字签名时,每个人都可以自己生成一个秘钥对,这个秘钥对包含一个私钥和一个公钥:私钥被称为Secret Key或者Private Key,私钥必须严格保密,不能泄漏给其他人;公钥被称为Public Key,可以公开给任何人:

key-pair

当私钥持有人,例如,小明希望对某个消息签名的时候,他可以用自己的私钥对消息进行签名,然后,把消息、签名和自己的公钥发送出去:

sig

其他任何人都可以通过小明的公钥对这个签名进行验证,如果验证通过,可以肯定,该消息是小明发出的。

数字签名算法在电子商务、在线支付这些领域有非常重要的作用:

首先,签名不可伪造,因为私钥只有签名人自己知道,所以其他人无法伪造签名。

其次,消息不可篡改,如果原始消息被人篡改了,那么对签名进行验证将失败。

最后,签名不可抵赖。如果对签名进行验证通过了,那么,该消息肯定是由签名人自己发出的,他不能抵赖自己曾经发过这一条消息。

数字签名的三个作用:防伪造,防篡改,防抵赖。

数字签名算法

常用的数字签名算法有:RSA算法,DSA算法和ECDSA算法。比特币采用的签名算法是椭圆曲线签名算法:ECDSA,使用的椭圆曲线是一个已经定义好的标准曲线secp256k1:

y^2=x^3+7

这条曲线的图像长这样:

secp256k1

比特币采用的ECDSA签名算法需要一个私钥和公钥组成的秘钥对:私钥本质上就是一个1~2256的随机数,公钥是由私钥根据ECDSA算法推算出来的,通过私钥可以很容易推算出公钥,所以不必保存公钥,但是,通过公钥无法反推私钥,只能暴力破解。

比特币的私钥是一个随机的非常大的256位整数。它的上限,确切地说,比2256要稍微小一点:

0xFFFF FFFF FFFF FFFF FFFF FFFF FFFF FFFE BAAE DCE6 AF48 A03B BFD2 5E8C D036 4140

而比特币的公钥是根据私钥推算出的两个256位整数。

如果用银行卡作比较的话,比特币的公钥相当于银行卡卡号,它是两个256位整数:

bitcoin-card

比特币的私钥相当于银行卡密码,它是一个256位整数:

18E14A7B6A307F426A94F8114701E7C8E774E7F9A47E2C2035DB29A206321725

银行卡的卡号由银行指定,银行卡的密码可以由用户随时修改。而比特币“卡”和银行卡的不同点在于:密码(实际上是私钥)由用户先确定下来,然后计算出“卡号”(实际上是公钥),即卡号是由密码通过ECDSA算法推导出来的,不能更换密码,因为更换密码实际上相当于创建了一张新卡片。

由于比特币账本是全网公开的,所以,任何人都可以根据公钥查询余额,但是,不知道持卡人是谁。这就是比特币的匿名特性。

如果丢失了私钥,就永远无法花费对应公钥的比特币!

丢失了私钥和忘记银行卡密码不一样,忘记银行卡密码可以拿身份证到银行重新设置一个密码,因为密码是存储在银行的计算机中的,而比特币的P2P网络不存在中央节点,私钥只有持有人自己知道,因此,丢失了私钥,对应的比特币就永远无法花费。如果私钥被盗,黑客就可以花费对应公钥的比特币,并且这是无法追回的。

比特币私钥的安全性在于如何生成一个安全的256位的随机数。不要试图自己想一个随机数,而是应当使用编程语言提供的安全随机数算法,但绝对不能使用伪随机数

绝不能自己想一个私钥或者使用伪随机数创建私钥!

那有没有可能猜到别人的私钥呢?这是不可能的。2256是一个非常大的数,它已经远远超过了整个银河系的原子总数。绝大多数人对数字大小的直觉是线性增长的,所以256这个数看起来不大,但是指数增长的2256是一个非常巨大的天文数字。

比特币钱包

比特币钱包实际上就是帮助用户管理私钥的软件。因为比特币的钱包是给普通用户使用的,它有几种分类:

  • 本地钱包:是把私钥保存在本地计算机硬盘上的钱包软件,如Electrum

  • 手机钱包:和本地钱包类似,但可以直接在手机上运行,如Bitpay

  • 在线钱包:是把私钥委托给第三方在线服务商保存;

  • 纸钱包:是指把私钥打印出来保存在纸上;

  • 脑钱包:是指把私钥记在自己脑袋里。

对大多数普通用户来说,想要记住私钥非常困难,所以强烈不建议使用脑钱包

和银行账户不同,比特币网络没有账户的概念,任何人都可以从区块链查询到任意公钥对应的比特币余额,但是,并不知道这些公钥是由谁持有的,也就无法根据用户查询比特币余额。

作为用户,可以生成任意数量的私钥-公钥对,公钥是接收别人转账的地址,而私钥是花费比特币的唯一手段,钱包程序可以帮助用户管理私钥-公钥对。

交易

我们再来看记录在区块链上的交易。每个区块都记录了至少一笔交易,一笔交易就是把一定金额的比特币从一个输入转移到一个输出:

tx-chain

例如,小明把两个比特币转移给小红,这笔交易的输入是小明,输出就是小红。实际记录的是双方的公钥地址。

如果小明有50个比特币,他要转给小红两个比特币,那么剩下的48个比特币应该记录在哪?比特币协议规定一个输出必须一次性花完,所以,小明给小红的两个比特币的交易必须表示成:

tx-return

小明给小红2个比特币,同时小明又给自己48个比特币,这48个比特币就是找零。所以,一个交易中,一个输入可以对应多个输出。

当小红有两笔收入时,一笔2.0,一笔1.5,她想给小白转3.5比特币时,就不能单用一笔输出,她必须把两笔钱合起来再花掉,这种情况就是一个交易对应多个输入和1个输出:

tx-multi-input

如果存在找零,这笔交易就既包含多个输入也包含多个输出:

tx-multi-return

在实际的交易中,输入比输出要稍微大一点点,这个差额就是隐含的交易费用,交易费用会算入当前区块的矿工收入中作为矿工奖励的一部分:

tx-fee

计算出的交易费用:

交易费用 = 输入 - 输出 = (2.0 + 1.5) - (2.99 + 0.49) = 3.5 - 3.48 = 0.02

比特币实际的交易记录是由一系列交易构成,每一个交易都包含一个或多个输入,以及一个或多个输出。未花费的输出被称为UTXO(Unspent Transaction Ouptut)。

当我们要简单验证某个交易的时候,例如,对于交易f36abd,它记录的输入是3f96ab,索引号是1(索引号从0开始,0表示第一个输出,1表示第二个输出,以此类推),我们就根据3f96ab找到前面已发生的交易,再根据索引号找到对应的输出是0.5个比特币,所以,这笔交易的输入总计是0.5个比特币,输出分别是0.4个比特币和0.09个比特币,隐含的交易费用是0.01个比特币:

tx-utxo

小结

比特币使用数字签名保证零信任的可靠P2P交易:

  • 私钥是花费比特币的唯一手段;
  • 钱包软件是用来帮助用户管理私钥;
  • 所有交易被记录在区块链中,可以通过公钥查询所有交易信息。

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