比特币原理细节的温习
一，私钥、公钥与比特币地址
由随机数生成私钥
比特币软件使用操作系统底层的随机数生成器来产生256位的熵（随机性），也就是说首先在1-2256之间生成一个随机数，然后用SHA256算法生成一个256位的二进制数（即64位的十六进制）。
由私钥生成公钥
通过椭圆曲线算法可以由私钥生产公钥，这个过程是不可逆的，也就是说无法通过公钥反推出私钥，这样就保证了私钥的安全性。
由公钥生成比特币地址
比特币地址由公钥通过单向的哈希加密算法（SHA256和RIPEMD160）获得，生成过程：
钱包：管理私钥的容器
比特币钱包是管理私钥的容器。比特币钱包只包含私钥，没有包含比特币，用户用私钥来签名交易，从而证明他们拥有交易输出，比特币是以交易输出的形式存储在区块链中。
二，交易
当我们说用户的钱包已经“收到”比特币时，我们的意思是，钱包已经检测到了可用的UTXO。 因此，用户的比特币“余额”是指用户钱包中可用的UTXO总和，而他们可能分散在数百个交易和区块中。 “一个用户的比特币余额”，这个概念是比特币钱包应用创建的派生之物。比特币钱包通过扫描区块链并聚集所有属于该用户的UTXO来计算该用户的余额 。大多数钱包维护一个数据库或使用数据库服务来存储所有UTXO的快速参考集，这些UTXO由用户所有的密钥来控制花费行为。
一个UTXO可以是1“聪”（satoshi）的任意倍数（整数倍）。就像美元可以被分割成表示两位小数的“分”一样，比特币可以被分割成八位小数的“聪”。（比特币的最小单位虽然是「聪」，但基本单位却是「UTXO」，别搞混了。）尽管UTXO可以是任意值，但一旦被创造出来，即不可分割。这是UTXO值得被强调的一个重要特性：UTXO是面值为“聪”的离散（不连续）且不可分割的价值单元，一个UTXO只能在一次交易中作为一个整体被消耗。
交易过程
上图中的输入1-4，在交易前，是4个独立的UTXO；而输出1-3，是新产生的3个独立的UTXO，可以作为下次交易的输入。
签名
每个UTXO都对应某个比特币地址，只有这个比特币地址对应的私钥才能对这个UTXO进行签名，使其作为下一次交易的输入。
所以，当比特币钱包显示某个比特币地址总金额时，其实它是统计该地址对应的所有UTXO，只有这个地址对应的私钥才能使用（消费）这些UTXO，所以务必保存好你的私钥。
找零
UTXO是比特币交易的最小单位，也就是说它不可分割。但是在现实中，如果比特币作为一种支付货币，难免会面临找零的情况，它是怎么处理的呢？
其实很简单，就是把自己的地址也作为交易输出的一部分。举个例子，假设张三需要支付1.5个BTC给李四，但是当前张三所拥有的最小UTXO为1.8个BTC，也就是说需要找零0.3个BTC，那么这个交易的输入为张三的1.8个BTC，输出为李四的1.5个BTC和张三的0.3个BTC。
交易费
一般比特币交易的输入总额不等于输出总额，其中的差额就是交易费。为什么会有交易费呢？后续我在介绍挖坑的原理中会详细介绍，这里你只要简单知道这个交易费是给矿工奖励的就行，因为比特币的交易需要依赖于矿工挖矿确认，而矿工确认的优先级是根据交易费大小排序的，因此谁出的交易费越高，谁的交易就越有可能被尽早确认。大家知道，比特币被人诟病的其中一个主要问题就是交易性能很差，TPS（即每秒交易笔数）大概为7左右，远远低于银行网关，更别提支付宝、微信支付了。
挖矿的奖励（Coinbase交易）
每个区块的第一个交易比较特殊，它没有输入，也就是说是凭空产生的（大家可以想象下印钞机），叫做Coinbase交易，它是给挖矿者的奖励，金额从50BTC开始，每4年递减，目前是12.5BTC。
三，网络
比特币采用去中心化的P2P（点对点）的网络架构，所谓P2P是指网络中的每个节点都是对等的，不存在「特权」节点，这也是比特币「去中心化」的底层实现。
虽然比特币P2P网络中每个节点是对等的，但根据其功能不同，分为如下几种节点类型：
网络路由节点
拥有网络路由功能的节点都可以作为网络路由节点，所有的网络路由节点通过TCP协议连成一张巨大的P2P网络。
这里需要注意，对于单个节点来说，它并不需要与其它所有节点建立直接连接，否则性能会成为瓶颈，它只需要跟其相邻的几个节点建立直接连接即可，和其它节点是间接连接。
全节点
全节点是指包含完整区块链数据库的节点，我们知道比特币从2009年1月诞生以来，平均每10分钟产生1个区块，目前为止已经产生了51万个区块，至少需要占用150G的磁盘空间。比特币刚诞生的时候，区块链数据库很小，大部分都是全节点，但随着区块链数据库越来越大，全节点的比例在不断缩小。
简单支付验证（SPV）节点
对于跑在智能手机上的钱包客户端来说，下载整个区块链数据库肯定是不可行的。于是，简单支付验证（SPV）节点孕育而生，SPV节点只需要下载区块头，不用下载区块体（即交易信息），因此它占用的空间大大减少。
独立矿工节点
所谓独立矿工节点是跟矿池相对立，是指不依赖其它节点的算力、单独进行挖矿的节点，因此它拥有完整的区块链数据库。在比特币前期，由于全网的算力不大，独立矿工还有生存空间，但随着比特币价格一路攀升，全网算力越来越大，独立矿工节点的生存空间越来越小，除非是大的数据中心。
矿池及其挖矿节点
前面说过，随着比特币全网算力越来越大，独立矿工挖到矿的概率越来越小，因此就产生了矿池。所谓矿池是指很多个挖矿节点集合在一起组成挖矿联盟，如果挖到矿，所获得的收益根据挖矿节点贡献的算力分摊，当然矿池还会收一部分管理费。这个挖矿联盟一般基于Pool或Stratum协议。
综上所述，比特币网络架构如下图所示：
四，挖矿
比特币挖坑的过程简单说就是：矿工使用挖矿节点尝试解一道数学难题，谁先解出来谁就能获得新产生的比特币和交易费。具体过程如下：
整合交易至候选区块
挖矿节点不断监听比特币网络中的交易信息，并将这些交易信息暂存到自己的内存池里，挖矿节点会根据以下信息对这些交易进行排序：
1）优先选择「块龄」更大的交易，「块龄」是指自该交易被记录到区块链为止所经历过的区块数，即这个交易在区块链中的深度。简单说，就是会优先处理那些旧的交易，这样确保即使没有交易费的交易最终也能得到确认，只是要等的时间比较长一些。
2）优先选择相对交易费更高的交易，也就是说出的交易费越高，越有可能越快得到确认。因此如果你想你的交易被尽快确认，应该主动多付些交易费。
挖矿节点根据上述条件排序后生成候选区块，同时会在候选区块里加入一笔特殊的交易-「Coinbase交易」，该交易是候选区块的第一笔交易，它会把新产生的比特币（当前是12.5个）和交易费发送给矿工的地址，是给矿工挖矿的奖励。
求解数学难题使候选区块成为合法的新区块（PoW）
构建候选区块完毕后，矿机就要开始使用PoW（Proof of Work，工作量证明）算法来获得一个正确的nonce值，来向全网证明新区块是它挖的。
所谓的PoW算法其实并不复杂，假设你是一个矿机，你会不断的尝试改变nonce值，并计算区块头的哈希值，如果你足够幸运，算出的哈希值正好小于难度值，说明你的这个nonce值是有效的，表示你成功挖到矿了，于是你会迅速的向全网广播，告诉大家这个区块我已经挖到了，你们继续挖下一个吧。但现实更多的情况是，你尝试了成千上亿次后，还是没有猜出有效地nonce值，却收到了其它矿工发来的通知说他已经挖到了，于是你只好放弃之前的所有工作，继续尝试挖下一个区块。上述描述的整个过程大概每10分钟会重复一次，生生不息，永不停止。
看到这里，相信很多人会有以下两个疑问。
第一个疑问是「我难道只能不断尝试不同的nonce值这种暴力破解的笨办法吗？是否存在更好的办法呢？」。数学家已经证明没有比暴力破解更好的办法，所以这也是很多人诟病比特币不环保、空耗大量算力的原因，但这也是比特币能够维持一个去中心化共识的根本原因。
第二个疑问是「难度值是如何确定的？」。比特币为了确保平均每10分钟出个新区块，它必须能够动态调整难度值，起初由于全网算力很小，因此难度值也比较小，但随着全网算力越来越大，难度值必须不断动态增大才行。但大家知道比特币是去中心化的，也就是说从来没有一个中心可以动态调整难度值，那比特币是怎么做到的呢？它把难度值的调整交给了每个全节点（什么是全节点可参考「比特币（4）：网络架构」），具体是这样的：每2,016个区块调整一次难度值，难度的调整公式是由最新2,016个区块的真正花费时长与20,160分钟（两周，即这些区块如以10分钟速率所期望花费的时长）比较得出的，如果发现平均时长小于10分钟，说明之前的难度值过小，需要加大难度，反之亦然。
区块链分叉
上述描述的基于PoW算法的挖矿过程可能会产生这样一种状况：假设矿工A挖到了新区块，但由于比特币的节点分布在全球各地，网络传输需要一定的时间，所以在他向全网广播的过程中，正好又有一个矿工B挖到了新区块，他也会向全网广播他挖到的新区块，这时就会出现两个新区块互相竞争的情况，这就是区块链分叉。
那么比特币是怎么解决分叉的问题呢？答案是暂时不解决，就让分叉存在着，相信时间最终来解决。也就是说，这时候比特币网络被分成了两派，一派基于A继续挖新区块，另一派基于B继续挖新区块，随着时间的推移，一定会出现其中一个分叉成为主链，另外一个分支慢慢被放弃。注意：这里谁能成为主链，并不是简单的基于谁先挖到算谁的，而是谁后续能获得大多数节点的认可。
这样又会带来两个问题：
问题1：有可能导致已被确认的交易被取消。比如上述例子我们假设A成为了主链，B被抛弃了，那么B挖到的这个新区块，虽然已被确认是有效的，但由于不是主链，最终会被抛弃，也就是说B创建的这个新区块上的交易都失效了。这也是为什么虽然比特币平均每10分钟生成一个区块，但一个交易真正被确认需要60分钟，因为一般认为经过后续6个区块的确认后，基本就很难被取消了。
问题2：有可能受到51%的算力攻击。假设有个人或机构非常强大，他能控制比特币全网51%的算力，就可能随意强行分叉，并让他的链总是成为主链，那么比特币的共识就崩溃了。虽然理论上存在这样的可能性，但由于现在比特币全网的算力过于强大，想要控制51%的算力，几乎不可能
