用Emoji表情为你科普比特币知识（下）

编者按：比特币越来越受欢迎，但它的运作方式却成了很多人的困惑点。 本文作者Tess Rinearson在《让钱值得信赖——比特币详解（with Emoji），第2部分》一文中，形象地描述了比特币运行的两大数据逻辑，非常简单易懂。

在上一篇文章中，我们了解了比特币是一种去中心化的货币，不由任何政府或金融机构产生或拥有，并了解了哈希原理。 在本文中，我们将了解比特币矿工如何使用散列来赚钱，以及密码学如何使比特币真实、独特、不可复制，并且它们是完全可转让的。

与美元一样，比特币的价值也会波动。 但即使价值波动，人们也会选择信任货币。 当美元以黄金为后盾时，人们认为它可以兑换成贵金属。 今天，人们信任美元很大程度上是因为美国政府的信誉，他们相信政府会支持银行。

比特币系统被设计为高度值得信赖，但不是因为黄金或政府。 相反，它依赖于数学，特别是依赖于两种技术的巧妙使用：散列和公钥加密。

哈希和比特币的区块链

区块链是每笔比特币交易的公共账本。 它是一系列区块，每个区块包含一组比特币交易。 您可以将区块链视为一系列数据包，每个数据包都包含大约 10 分钟内发生的交易信息。

或者您可以将包堆叠在一起，最旧的操作事务在底部，最新的包在顶部。 而那些堆叠存放的包裹极易受到损坏，因此很容易检测到干扰。

每个块都有一个唯一的哈希值，它以非常大的数字（十六进制）的形式将“指纹”表示为官方字符串。 其中一个块的哈希值可能是“00000000003e95b0ac78cb961d0”。

为了使我们的插图简单和概念化比特币符号怎么打，我将使用表情符号而不是一长串数字来表示特定的哈希值。 我们将第一个区块哈希与足球进行比较，将第二个区块哈希与鱿鱼进行比较，将第三个区块哈希与雨伞进行比较。 那么，当这个区块链用一个表达式哈希来表示时，如下所示：

假设我的朋友伊丽莎白给了我价值 5 美元的比特币，我想把它给你。 当我这样做时，该交易将与许多其他交易形成一个区块并包含在整个链中。 链中的每个块都知道它在序列中的位置，因为它包含在它之前的块的哈希值。 也就是说，第三个区块不仅包含了一组交易信息，还包含了前一个区块的哈希值。

想象一下，比特币系统刚刚完成了三个区块的散列（生成了那个伞状区块链的散列）。 如果我付给你 5 美元，我们的交易将被记录在下一个区块中。 而这个新产生的区块还没有产生哈希值。 目前还不知道结果会怎样。

这就是它变得有趣的地方。 智能计算机调用“矿工”将第四个区块添加到区块链中。 第一个成功哈希新区块的矿工是赢家，其所有者将获得 12.5 个全新的比特币奖励（这个数量在未来会减少）。

这就是“开采”财富的过程。 一旦一个哈希值被成功挖掘出来，它会迅速分发给其他矿工，这些矿工对其进行验证并将其添加到他们的区块链副本中，寻找区块链新区块的哈希值，另一轮竞争将开始。

散列非常容易。 一台笔记本电脑可以在一秒钟内找到数千个哈希值。

但在比特币世界中，成功找到一个复合哈希值平均需要花费矿工 10 分钟的时间来争夺它，因为并非每个哈希值都会起作用。 比特币系统要求的哈希值远小于所有其他可能找到的哈希值，这使得找到一个可接受的哈希值变得很繁琐。

矿工找到小哈希的唯一方法是一遍又一遍地尝试。 每一次尝试都必须是不同的，矿工不能改变他们的样子，但可以稍微改变他们发现的东西。

矿工在称为“nonce”的东西的帮助下做到这一点，它类似于我在上一篇文章中提到的小狗眼睛上方的单像素黑色跳蚤。

想象一下，添加一个由小狗照片的散列生成的像素绝非易事，因为在获得散列之前稍微更改此数字化内容可能会产生完全不可预测的结果。

随机数代表一种疯狂的猜测，一种对被添加到区块链并成功的值的反复试验搜索，因为它生成了最终的哈希值。 矿工将之前所有的交易信息贡献给一个新的区块，在之前的区块上加上哈希值，加上随机数，然后见证结果。 每个矿工都会尝试不同的 nonce，并希望其中一个能够成功合并到区块中，从而使区块哈希到一个合适的分数值。 事实上，成功的矿工可能已经尝试了数百万种不同的值。

随着时间的推移，在矿工成功找到合适的哈希值之前，整个比特币系统通常会进行千万亿次尝试。 由于计算机的能力和矿工数量的增加，每 10 分钟左右就会有一个赢家。 （如果平均挖矿时间低于10分钟，比特币系统会自动将目标值变小，使得搜索过程更加复杂。）

黄金之所以有价值，是因为它是一种贵金属，而中奖哈希值之所以有价值，是因为它是一串珍贵的数字，其价值在于它的质量（价值小）使其极其稀有。 矿工们在黑暗中收集了大量的石头，希望成为第一个找到能够产生满足比特币系统严格要求的哈希值的数字的人。 例如，此要求可能是一个小于 0000000003e95b0acc32ac089222 的散列。 那些成功的矿工的策略是使用足够强大的计算机进行大量猜测。

比特币世界要求哈希值低于一定大小，让我们继续用表情符号来说明，假设一个更友好的约束设置，比如，哈希值必须是动物。 经过尝试，矿工们的结果可能是这样的：

只有一个结果符合约束条件：既不是樱花也不是梨，而是一只海豚。

因为第二个矿工找到了正确的哈希值，所以他得到了奖励。 这种奖励包括全新的比特币，这就是为什么这个过程被称为“挖矿”。 矿工正在发现新的比特币，就像他们之前的人在挖掘黄金一样。

如果挖矿过程进行得太快，系统可能会被比特币淹没，从而导致通货膨胀。 为了防止这种情况发生，比特币软件编写了可调整的逻辑。 一旦发现挖掘哈希太容易，比特币系统会选择更严格的选择标准。

你可以想象一下，在我们的表情区块链中，区块开发速度太快的情况。 为了解决这个问题，约束可能会被调整为：“下一个块，哈希值必须是动物，并且必须有爪子”。

矿工运行他们的哈希函数并得到以下结果：

这些结果都不符合有爪子的动物，所以矿工们需要再试一次：

基于以上约束，第三位矿工找到了正确答案：熊是有爪子的动物。 然后，该矿工可以将哈希值连同块内的数据一起广播到区块链世界。 由于哈希对应可以快速运行，其他矿工可以在区块上运行哈希函数并验证哈希值是否满足约束条件。 之后，他们会将区块添加到他们自己的区块链副本中，这意味着他们或多或少会保持同步并开始为下一个区块收集交易。

此时，区块链的哈希如下图，我转发给你的5美元交易的区块称为“熊”。

公钥加密

哈希值只是比特币系统所依赖的数学概念之一。 公钥密码学是另一种。

研究密码学的人经常用“Alice”和“Bob”作为两个字符来解释概念。 现在，我将使用它们来帮助解释公钥密码学的基本逻辑。

想象一下，Alice 想递给 Bob 一个装有秘密文件的公文包。 如果爱丽丝和鲍勃有匹配的钥匙，事情就简单了：她可以锁上公文包，用钥匙锁上，然后把它交给鲍勃。

当鲍勃收到公文包时，他会有自己的钥匙来开锁，因为两把钥匙是一样的，所以鲍勃会拿到包里的秘密文件。 此过程称为对称加密。

但一般来说，人们相互发送的秘密没有匹配的密钥，因为安全地传递密钥并不容易。 因此，如果 Alice 有一种私密且安全的方式向 Bob 发送密钥，她也可以使用它来传输文件。

所以，Alice 和 Bob 不需要共享这把锁的钥匙。 相反，他们每个人都有自己的钥匙和锁，这意味着他们不需要考虑传递钥匙的问题。

它是这样工作的：

爱丽丝用钥匙锁上了挂锁的公文包，并将其交给了鲍勃。 当 Bob 收到 Alice 的公文包时，他无法打开 Alice 的挂锁。 但是，他在上面加了自己的挂锁。

...并将其返回给爱丽丝：

然后爱丽丝用她的钥匙从公文包中取出挂锁：

现在公文包上只有一把挂锁：鲍勃的。 爱丽丝将公文包发回给鲍勃：

Bob 可以轻松打开自己上锁的公文包，毫无问题地取出文件。

现在，Alice 和 Bob 不再需要秘密共享同一个密钥。 他们只需要有自己的挂锁和钥匙。

但是，如果对方不是您认为的那个人怎么办？ 如果发生了一些奇怪的事故怎么办比特币符号怎么打，比如 Bob 被一头母牛取代了？

那么接下来，会发生这些事情：

1. 爱丽丝贴上了挂锁的公文包。 她以为这是给鲍勃的，但实际上是给一头母牛的。

2. 奶牛以惊人的灵巧将它的挂锁锁在公文包上并将它送回给爱丽丝。

3. Alice 很高兴看到带“Bob”（实际上是母牛的）挂锁的公文包被退回，她打开自己的挂锁并将其寄回。

4. 牛拿回公文包，打开锁。

5. 牛吃了秘密文件。

没有人希望他们的秘密被一头牛消化，所以我们需要采取措施保护机密数据：Bob 确保 Alice 知道他的挂锁是什么样子，这样当她取回公文包时，她可以验证新锁是否属于鲍勃。

事实上，鲍勃能够复制他的几个挂锁并将它们公开。 每个人都知道鲍勃的挂锁长什么样并不重要，因为他是唯一可以用钥匙开锁的人。 同时也让爱丽丝认出了鲍勃的锁。 在打开自己的锁之前，她可以检查第二个挂锁是否真的属于 Bob。

如果我们处理的是物理挂锁和钥匙，则很难复制和分发挂锁。 但是当我们以数字方式进行时，我们使用数字密码和数字锁，这些都是值。

挂锁代表的数字是公开的。 密钥代表的数字是私有的。 这个私人号码，叫做“私钥”，可以用来“开启”公锁。

这是公钥密码学。

人们小心翼翼地保护自己的私钥，因为一把私钥可以打开任何对应的公锁。 （在密码学中，这个解锁过程有时称为签名。）相反，人们广泛分发他们的公钥，以便其他人知道什么被锁定了。

在比特币系统中，公共密码学用于证明所有权。 为了讨论它是如何工作的，我们首先需要了解一些术语。 在比特币中，有私钥、公钥和地址。

与爱丽丝和鲍勃的秘密文件不同，比特币系统的密钥不用于加密任何东西。 没有人们需要解锁的秘密公文包。 相反，密钥用于证明所有权。

在比特币世界中，Alice 没有要交给 Bob 的秘密公文包。 相反，她有一个带挂锁和比特币的玻璃盒子。

为了将比特币传递给鲍勃，爱丽丝必须做两件事：

1. Alice 必须把 Bob 的挂锁放在她的箱子里。 这很容易，因为 Bob 的挂锁实际上是一个公共值。 这样，Bob 就可以通过解锁自己的挂锁来证明他的所有权。

2. 爱丽丝必须证明放置盒子的挂锁是她的而不是别人的。 她需要一把钥匙来打开她的挂锁（一长串未公开的值）。

然后，当 Bob 决定将这些比特币转给另一个人（我们暂时称他为 Carlos）时，他做了同样的事情：将 Carlos 的公钥锁在其中，并用他的私钥签署交易。

在这种情况下，挂锁究竟意味着什么？ 从广义上讲，它是公钥。 但是比特币协议在公钥密码学的基础上发生了变异，Alice 可以包含 Bob 的比特币地址，而不是 Bob 的公钥本身。 比特币地址是从公钥派生出来的，所以就像爱丽丝把鲍勃的挂锁锁在盒子里一样。 事实上，一个公钥可以生成无数个地址。 因此，如果 Bob 每次都想使用不同的地址，他也可以这样做。

让我们回到我要给你转 5 美元的事实。 我将它发送到您的比特币地址，该地址与您的私钥数字连接，您将在该地址获得比特币。

为了花费这 5 美元，你需要进行新的交易，包括一个属于收件人的地址，并用你的私钥签名。 这相当于将收件人的挂锁放在公文包上，然后解锁您的。

使用地址的一个有趣的副作用是，比特币实际上是匿名的。

由于您的地址使用的是假名，因此它使用了假名。 比特币与你的名字无关，它需要的只是你的私钥。

所以，只要你有私钥，就可以得到比特币。 你能用它做什么？

（在我的下一篇文章中，我们将探讨如何使用比特币和区块链来赚钱，以及这些技术如何促成新的金融工具。）

原文链接：@tessr/making-money-trustworthy-6c552a1cfc25