BTC -如何诞生

BTC

BTC是一种加密货币，其核心技术是区块链。区块链是一种分布式账本，通过共识机制来维护一个不可篡改的交易记录。
1. btc的发行
btc依靠挖矿奖励发行货币，区块链目标每10min生成一个新区块，并给予矿工BTC奖励。预计2140年发行完毕，届时总数量为2100万。

2. btc的用户交易
BTC的交易通过钱包进行，交易由用户A钱包生成，广播至比特币网络，旷工节点对交易进行验证，成功后进入交易池，等待旷工打包。这时会有很多旷工节点之间进行记账竞争，成功生成新区块的旷工会将交易信息打包进新区块中，并获得交易费btc(0.1%-0.3%)奖励。新区块后的6个区块也生成后，该交易被认为足够安全，不可逆转。

旷工的收入来源： 新区块奖励和BTC交易费（旷工帮助打包入账的费用）。
BTC特性： BTC去中心化机制使得BTC无法被关闭冻结，并且其破解难度经过时间证明难度极大。
BTC繁荣原因：

• 现实世界存在大量的money laundering需求，使得BTC的相关市场规模不断扩大，大量的黑色资金通过BTC来洗白。
• BTC作为一种虚拟加密货币，并且在这种货币的交易平台是区块链，那么BTC作为货币在交易什么呢?我们知道法定货币可以交易服务，物品等，对应的BTC其实是在交易法币。交易法币并不是BTC的初衷，而是市场对BTC的使用的需求。
• 就像物品交易会衍生出期权，法币的交易就诞生了BTC合约。

0. 钱包和区块链的交互流程

• 钱包查询UTXO：钱包软件连接全节点，钱包发送地址的公钥哈希，向节点请求UTXO，存储节点从UTXO集合中筛选出属于该地址的UTXO，返回给钱包，钱包计算UTXO总额，即账户余额。
• 钱包创建交易并广播：钱包会选出足够的UTXO，生成交易（输入和输出，输入引用这些UTXO，两个输出，一个输出发送给收款人，另一个输出找零。），钱包使用私钥对交易进行签名，证明UTXO属于该用户。钱包将签名后的交易提交给存储节点。节点验证并广播（检查UTXO是否未被使用，验证签名正确性，若有效，节点广播交易到P2P网络，等待旷工确认）。
• 交易确认：交易广播后，全节点会把交易存入内存池。旷工选择交易打包进区块，并解决工作量证明。一旦交易被旷工打包并挖出新区块，UTXO发生变化（旧UTXO被移除，新UTXO生成）。

你（买家）    卖家      比特币网络（存储节点）   矿工
  |             |                |                |
  | 付款 USDT  |                |                |
  |------------>|                |                |
  |             | 创建交易       |                |
  |             | 选取 UTXO       |                |
  |             |---------------->|                |
  |             |                | 验证 UTXO       |
  |             |                | 交易入 Mempool |
  |             |                |---------------->|
  |             |                | 矿工打包 PoW  |
  |             |                | 交易被确认 ✅  |
  |             |                |<----------------|
  |             |                |                |
  |             |<----------------|                |
  | 你的钱包收到 3 BTC ✅ |                |

1.　比特币整体架构

btc是一个去中心化数字货币系统，底层采用了区块链的技术。
区块链由一系列按时间顺序练级的区块组成，每个区块包含一定数量的交易记录，并通过密码学手段与前一个区块关联，从而形成一条不可篡改的链条。

• 去中心化： 所有节点平等参与网络维护。
• 分布式账本： 每个节点都存有完整或部分账本，实现信息共享和冗余备份。

2.　共识机制 ——工作量证明

BTC使用PoW算法作为共识机制，确保网络中所有节点就账本状态达成一致。

• 工作量证明过程：
  • 矿工竞争： 各节点（矿工）争相计算一个满足难度目标（即哈希值低于目标值）的随机值（nonce）
  • 哈希运算：利用SHA-256算法对区块头进行hash，矿工不断改变nonce值直到找到符合条件的hash值。
  • 难度调整：为维持平均10分钟出一个区块的目标，比特币网络每2016个区块（约两周）调整一次挖矿难度。维持10min产生一个区块使得BTC区块链没有办法处理大批量频繁交易，比如：大型电商和金融机构的高频、大规模交易需求。
• 安全性保证：PoW使得攻击者需要投入巨大计算资源才能篡改区块链，进而保证账本不可逆转。

3.　区块验证与交易结构

区块结构

每个区块包含两个主要部分：

• 区块头（Block Header）: 包含版本号、前一区块哈希、Merkle树根、时间戳、难度目标和随机数（nonce）。
• 区块体（Block Body）：包含一组交易记录。

交易验证与Merkle树

• 交易构成：每笔交易记录了输入（UTXO,未花费输出）和输出（指定比特币地址以及金额）的信息，并通过数字签名保证合法性。
• 数字签名： 采用椭圆曲线数字签名算法（ECDSA）确保交易只能由拥有相应私钥的用户发起，保证交易的真实性和不可否认性。
• Merkle树：将所有的交易记录哈希后构建出一个Merkle树，其根哈希（Merkle Root）记录在区块头汇总。这种结构既能高效单个交易，又能保证区块中数据的一致性和完整性。

4. 分布式网络与区块传播

• 点对点网络（p2p）：比特币节点通过一个去中心化的p2p网络相互连接。
• 区块和交易传播：当旷工发现新区块时，会广播给网络中其他节点，节点在验证后将新区块添加到本地账本；同样，同时发起的交易也通过网络广播，并被旷工打包进区块。
• 防止双重支付：通过广播和全网共识，确保每笔交易只被交易一次，防止同一币被重复使用。

5. 激励机制与经济模型

• 区块奖励：矿工成功挖到新区块后，会获得一定数量的新发行比特币（区块奖励）和该区块内交易的手续费。
• 减半机制：每 210,000 个区块（约4年）区块奖励减半，控制比特币的总发行量，直至总量达到 2100 万枚。
• 手续费激励：随着区块奖励不断减半，交易手续费逐步成为矿工的重要收入来源，保障矿工继续维护网络安全。

6. 抗攻击与安全特性

• 不可篡改性： 每个区块与前一区块哈希相连，篡改任意区块都会导致后续区块无效，且重新计算 PoW 需要庞大算力。
• 分布式存储：全网节点共同存储完整账本，即使部分节点失效，系统仍然可用。
• 51%攻击：网络安全依赖于算力分布，多数节点（超过 50% 算力）控制后，攻击者理论上可以重写交易历史，但实际操作成本极高。

BTC交易的核心　－UTXO

UTXO（未花费交易输出，Ｕｎｓｐｅｎｔ　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎ　Ｏｕｔｐｕｔ）　是比特币交易的核心，代表着尚未被花费的比特币。交易的每个输入（input）必须引用之前的未花费输出（UTXO），交易完成后会产生新的 UTXO。

• 交易的发起者必须拥有可用的UTXO
• 交易必须符合比特币协议的规则，交易输入必须引用已有的UTXO，并且提供正确的数字签名证明所有权。交易输出必须指定新的比特币接受者。
• 交易必须广播到比特币网络
• 旷工或节点验证交易并打包进区块
  （1）　初始状态（State）
  左侧的 State 代表交易发生前的 UTXO 集合，每个 UTXO 以 交易ID:输出索引 形式表示。交易发起者可以引用这些 UTXO 作为输入，进行新交易。
  （2）　交易（Transaction）
• Inputs（花费的UTXO），花费了｀7b53ab84:1｀，｀3ce6f712:2｀，这些UTXO作为输入（Sｐｅｎｄ）被消耗，不再是未花费状态。
• 签名（Sig），这两个输入 UTXO 需要由相应的私钥进行 数字签名，以证明交易的合法性。签名值（｀304525bf6785edcd79ed090c｀，｀30464dd4afcb1c2e651030ea｀），只有拥有对应私钥的人（即UTXO现有所有者）才能生成这些签名，防止BTC被盗用。
• Outputs（新生成的UTXO），交易创建了三个新的UTXO（｀bb75a980:0｀，｀bb75a980:１｀，｀bb75a980:２｀）．这些UTXO存入新的地址，供新的持有者使用。
  （３）交易后的新状态（State），右侧的 ｀State’｀ 代表交易发生后，比特币 UTXO 集合的变化，原有的 UTXO 7b53ab84:1 和 3ce6f712:2 被花费，所以它们不再出现在 State’ 中。旧的未花费 UTXO ｀14c5f8ba:0｀ 和 ｀4ad59065:0｀ 仍然有效，继续存在。交易产生了 三个新的 UTXO：｀bb75a980:0｀，｀bb75a980:1｀，｀bb75a980:2｀
  ｀892bb91f:0｀仍然存在，因为它没有被花费。