比特币如何防止双重支付，比特币机制研究

一、中本聪凭借比特币成为世界首富,对比尔盖茨公平吗

2008年10月31日，也就是9年前，中本聪发表了比特币白皮书：

“本文提出了一种完全通过点对点技术实现的电子现金系统，它使得在线支付能够直接由一方发起并支付给另外一方，中间不需要通过任何的金融机构。虽然数字签名部分解决了这个问题，但是如果仍然需要第三方的支持才能防止双重支付的话，那么这种系统也就失去了存在的价值。我们在此提出一种解决方案，使现金系统在点对点的环境下运行，并防止双重支付问题。该网络通过随机散列对全部交易加上时间戳，将它们合并入一个不断延伸的基于随机散列的工作量证明的链条作为交易记录，除非重新完成全部的工作量证明，形成的交易记录将不可更改”。

自此，天才的点对点电子现金系统诞生了。

这份发给加密邮件列表订阅者的白皮书，向用户描述了一种革命性的技术，从而创建了世界上第一个真正的、点对点和去中心化的货币体系。

标题说如果中本聪还在的话，其实我是说，如果中本聪他本人还在关注着比特币——这个被他发明的伟大的点对点现金系统，这个市值超过了1000亿美元规模的资产的话，不知道电脑屏幕前的他会有什么样的表情，什么样的看法。

这应该是一个比”比特币未来会如何发展“更无解的问题吧。

中本聪——比特币无法被类比

比特币的白皮书是2008年10月31日发布的，但比特币是2009年1月才发布，自此去中心化的网络慢慢开始改变大众对货币以及整个金融体系的看法。

中本聪曾说过这么一句话，“对不起，我是一个扫兴的人。向普通听众描述比特币是非常困难的，没有什么可以和类比，以便让人更容易理解”。

事实上，一直到9年后的今天，依然没有可以拿来和比特币类比的，我们往往经历的尴尬困境就是，先费劲地向普通人解释”什么是去中心化“，什么是”点对点“，然后再告诉大家是虚拟货币。至于加密学、哈希值、区块......这么解释起来怕是要花上几天做个精美的PPT。

其实，人们对比特币是什么的好奇甚至不如对”中本聪“这个人（或者这个团队）的好奇度。

不如我们就在9周年以及比特币开启新里程碑的特殊日子，侧写一下神秘的中本聪。

中本聪大概是这样一个人

如果大家有看过美剧《犯罪心理》的话，可以直到有种把一个从未见过的人具象化的方法，甚至能具象到比见到本人更深刻，这种方法被应用于寻找罪犯——侧写。

一个人的年龄、性格、生活环境以及职业都可以根据他留下的痕迹来进行侧写，那我们可以根据重本聪留下的这些”痕迹“来推测他究竟是一个什么样的人。

既然说到”痕迹“，最有中本从个人信息量的就是比特币白皮书了。

神化中本聪的教徒们可能要失望了，首先中本聪肯定不是神，只是一个”集众家之所长“的人。

比特币白皮书从学术论文的角度讲是不可能发表的，因为里面的几乎所有部分都是现成的东西——电子货币、加密学、PoW、哈希数值等等。

而比特币之所以伟大和如此成功，其实是因为中本聪将博弈论引入拜占庭容错公式算法，这点是非常创新而且前无古人的。但是，白皮书上没有明说，也没有证明，证明是后来的研究者因为比特币成功了而慢慢补上的。可以推断的是，他也不是一个团队，团队要暴露出来的痕迹会比现在多得多。

中本聪画像

年龄：根据C++开发者群体的性别和年龄构成，中本聪是一个中年男性的可能性最大。估计中本聪今年应该是50-65岁吧。

国籍：名字是引起最大争议的，名字毕竟只是一个代号。大部分人赞同的说法是中本聪是美国人。他的英式行文习惯有些刻意，不好评论真伪，但是在网上的活跃时间符合一个美国上班族的作息规律，要伪装这个规律并不容易，而且在比特币依然是一个小圈子里的玩具的阶段也没有必要。

职业：在大企业从事IT工种，入职时间在90年代后半到20世纪初。根据比特币的技术上一些问题，显现出来的特征比较符合一个90年代入职的老一辈程序员的认知水平。

有家室和一定的经济能力：没有直接证据，但是符合一些细节，比如对身份隐藏如此彻底，很可能是出于保护家人的目的；能花大量时间和精力投入到比特币的创造，必须要经济能力保障。

还有其他一些研究比特币的学者根据白皮书的各种层面推测出的关于中本聪的信息：

1.他有理工科背景；因为他对于加密技术的兴趣高涨，会编程，但是对于经济学的理解很肤浅，比特币几乎没有用到任何经济学的原理，它的奖励发放机制都是出于技术而不是经济学的考量

2.他很聪明而且思维缜密；同时对于加密和信息安全技术有着浓厚的兴趣和功底，他能理解拜占庭容错问题并且抓住本质，非常了解密码学的基本工作原理和实现方法，然后，他能够用最简单的方式将这些东西放在一起，在实现基本功能的时候摒弃一切可能造成安全隐患的功能，这点说明了他的思维是非常理论、缜密而且有逻辑的；

3.他性格谦逊，能够虚心接受别人的建议；他很聪明，但是，却不是很多天才例如vitalik buterin那种高人一等聪明，他也许在生活中从未被认为是最拔尖的人，因此他知道自己的不足，甚至知道自己可能犯错，所以，比特币从萌芽到诞生的过程中，他毫不保留地一直在吸取别人的建议和新的知识，这点是比特币能够出现乃至成功的重要原因之一。

能将理想坚定地付诸行动，对自己热爱的事物能花时间精力去研究，懂得听取和接受别人的意见，谨慎缜密的思维，低调——这些特质何尝不是如今像BAT的创始人，还有更多的商界大佬所同样拥有的？

不成功的人各有各的缺点，而成功的人总是相同的优点。

比特币白皮书九周年了，祝愿中本聪对它的期望达成：

“我们需要的是基于密码证明的而不是基于信任的电子支付系统，它允许任何有交易愿望的双方直接交易，而不需要一个可信任的第三方。”来源于中本聪的论文。

*本文由未来财经原创，未经许可禁止转载

二、比特币机制研究

现今世界的电子支付系统已经十分发达，我们平时的各种消费基本上在支付宝和微信上都可以轻松解决。但是无论是支付宝、微信，其实本质上都依赖于一个中心化的金融系统，即使在大多数情况这个系统运行得很好，但是由于信任模型的存在，还是会存在着仲裁纠纷，有仲裁纠纷就意味着不存在不可撤销的交易，这样对于不可撤销的服务来说，一定比例的欺诈是不可避免的。在比特币出来之前，不存在一个不引入中心化的可信任方就能解决在通信通道上支付的方案。

比特币的强大之处就在于：它是一个基于密码学原理而不是依赖于中心化机构的电子支付系统，它能够允许任何有交易意愿的双方能直接交易而不需要一个可信任的第三方。交易在数学计算上的不可撤销将保护提供不可撤销服务的商家不被欺诈，而用来保护买家的程序化合约机制也比较容易实现。

假设网络中有A, B,C三个人。

A付给B 1比特币，B付给C 2比特币，C付给A 3比特币。

如下图所示：

为了刺激比特币系统中的用户进行记账，记账是有奖励的。奖励来源主要有两方面：

比特币中每一笔交易都会有手续费，手续费会给记账者

记账会有打包区块的奖励，中本聪在08年设计的方案是：每10分钟打一个包，每打一个包奖励50个比特币，每4年单次打包的奖励数减半，即4年后每打一个包奖励25个比特币，再过四年后就奖励12.5个比特币...这样我们其实可以算出比特币的总量：

要说明打包的记录以谁为准的问题，我们需要引入一个知名的拜占庭将军问题（Byzantine failures）。拜占庭将军问题是由莱斯利·兰伯特提出的点对点通信中的基本问题。含义是在存在消息丢失的不可靠信道上试图通过消息传递的方式达到一致性是不可能的。

假设有9个互相远离的将军包围了拜占庭帝国，除非有5个及以上的将军一起攻打，拜占庭帝国才能被打下来。而这9个将军之间是互不信任的，他们并不知道这其中是否有叛徒，那么如何通过远距离协商来让他们赢取战斗呢？

口头协议有3个默认规则：

1.每个信息都能够被准确接收

2.接收者知道是谁发送给他的

3.谁没有发送消息大家都知道

4.接受者不知道转发信息的转发者是谁

将军们遵循口头规则的话，那就是下面的场景：将军1对其他8个将军发送了信息，然后将军2~9将消息进行转达（广播），每个将军都是消息的接受者和转发者，这样一轮下来，总共就会有9×8=72次发送。这样将军就可以根据自己手中的信息，选择多数人的投票结果行动即可，这个时候即便有间谍，因为少数服从多数的原则，只要大部分将军同意攻打拜占庭，自己就去行动。

这个方案有很多缺点：

1.首先是发送量大，9个将军之间要发送72次，随着节点数的增加，工作量呈现几何增长。

2.再者是无法找出谁是叛徒，因为是口头协议，接受者不知道转发信息的转发者是谁，每个将军手里的数据仅仅只是一个数量的对比：

这里我们假设有3个叛徒，在一种最极端的情况下即叛徒转发信息时总是篡改为“不进攻”，那么我们最坏的结果就如上图所示。将军1根据手里的信息可以推出要进攻的结论，却无法获知将军里面谁是叛徒。

这样我们就有了方案二：书面协议。

书面协议即将军在接受到信息后可以进行签字，并且大家都能够识别出这个签字是否是本人，换种说法就是如果有人篡改签字大家可以知道。书面协议相对比口头协议就是增加了一个认证机制，所有的消息都有记录。一旦发现有人所给出的信息不一致，就是追查间谍。

有了书面协议，那么将军1手里的信息就是这样的：

可以很明显得看出，在最坏的一种情况——叛徒总是转发“不进攻”的消息之下，将军7、8、9是团队里的叛徒。

这个方案解决了口头协议里历史信息不可追溯的问题，但是在发送量方面并没有做到任何改进。

在我们的示例中，比特币系统里的每个用户发起了一笔交易，都会通过自己的私钥进行签名，用数学公式表示就是：

所以之前的区块就变成了这样：

这样每一笔交易都由交易发起者通过私钥进行数字签名，由于私钥是不公开的，所以交易信息也就无法被伪造了。

如书面协议末尾所说的那样，书面协议未能解决信息交流过多的问题。当比特币系统中存在上千万节点的时候，如果要互相广播验证，请求响应的次数那将是一个非常庞大的数字，显然势必会造成网络拥堵、节点处理变慢。为了解决这个问题，中本聪干脆让整个10分钟出一个区块，这个区块由谁来打包发出呢？这里就采用了工作量证明机制(PoW)。工作量证明，说白了就是解一个数学题，谁先解出来数学题，谁就能有打包区块的权力。换在拜占庭将军的例子中就是，谁先做出数学题，谁就成为将军们里面的总司令，其他将军听从他发号的命令。

首先，矿工会将区块头所占用的128字节的字符串进行两次sha256求值，即：

这样求得一个值Hash，将其与目标值相比对，如果符合条件，则视为工作量证明成功。

工作量证明成功的条件写在了区块链头部的难度数字段，它要求了最后进行两次sha256运算的Hash值必须小于定下的目标值；如果不是的话，那就改变区块头的随机数（nonce），通过一次次地重复计算检验，直到符合条件为止。

此外，比特币有自己的一套难度控制系统，使得比特币系统要在全网不同的算力条件下，都保持10分钟生成一个区块的速率。这也就意味着：难度值必须根据全网算力的变化进行调整。难度调整的策略是由最新2016个区块的花费时长与期望时长（期望时长为20160分钟即两周，是按每10分钟一个区块的产生速率计算出的总时长）比较得出的，根据实际时长与期望时长的比值，进行相应调整（或变难或变易）。也就是说，如果区块产生的速率比10分钟快则增加难度，比10分钟慢则降低难度。

PoW其实在比特币中是做了以下的三件事情。

这样可以防止一台高性能机器同时跑上万个节点，因为每完成一个工作都要有足够的算力。

有经济奖励就会加速整个系统的去中心化，也鼓励大家不要去作恶，要积极地按照协议本来的执行方式去执行。(所以说，无币区块链其实是不可行的，无币区块链一定导致中心化。)

也就是说，每个节点都不能以自身硬件条件去控制出快速度。现在的比特币上平均10分钟出一个块，性能再好的机器也无法打破这个规则，这就能够保证区块链是可以收敛到共同的主链上的，也就是我们所说的共识。

综上，共识只是PoW三个作用中的一点，事实上PoW设计的作用有点至少有这么三种。

默克尔树的概念其实很简单，如图所示

这样，我们区块的结构就大致完整了，这里分成了区块头和区块体两部分。

区块链的每个节点，都保存着区块链从创世到现在的每一区块，即每一笔交易都被保存在节点上，现在已经有几百个GB了。

每当比特币系统中有一笔新的交易生成，就会将新交易广播到所有的节点。每个节点都把新交易收集起来，并生成对应的默克尔根，拼接完区块头后，就开始调整区块头里的随机数值，然后就开始算数学题

将算出的result和网络中的目标值进行比对，如果是结果是小于的话，就全网广播答案。其他矿工收到了这个信息后，就会立马放下手里的运算，开始下一个区块的计算。

举个例子，当前A节点在挖38936个区块，A挖矿节点一旦完成计算，立刻将这个区块发给它的所有相邻节点。这些节点在接收并验证这个新区块后，也会继续传播此区块。当这个新区块在网络中扩散时，每个节点都会将它作为第38936个区块(前一个区块为38935)加到自身节点的区块链副本中。当挖矿节点收到并验证了这个新区块后，它们会放弃之前对构建这个相同高度区块的计算，并立即开始计算区块链中下一个区块的工作。

整个流程就像下一张图所展示的这样：

简单来说，双花问题是一笔钱重复花了两次。具体来讲，双花问题可分为两种情况：

1.同一笔钱被多次使用；

2.一笔钱只被使用过一次，但是通过黑客攻击或造假等方式，将这笔钱复制了一份，再次使用。

在我们生活的数字系统中，由于数据的可复制性，使得系统可能存在同一笔数字资产因不当操作被重复使用的情况，为了解决双花问题，日常生活中是依赖于第三方的信任机构的。这类机构对数据进行中心化管理，并通过实时修改账户余额的方法来防止双重支付的出现。而作为去中心化的点对点价值传输系统，比特币通过UTXO、时间戳等技术的整合来解决双花问题。

UTXO的英文全称是 unspent transaction outputs，意为未使用的交易输出。UTXO是一种有别于传统记账方式的新的记账模型。

银行里传统的记账方式是基于账户的，主要是记录某个用户的账户余额。而UTXO的交易方式，是基于交易本身的，甚至没有账户的概念。在UTXO的记账机制里，除了货币发行外，所有的资金来源都必须来自于前面某一个或几个交易。任何一笔的交易总量必须等于交易输出总量。UTXO的记账机制使得比特币网络中的每一笔转账，都能够追溯到它前面一笔交易。

比特币的挖矿节点获得新区块的挖矿奖励，比如 12.5个比特币，这时，它的钱包地址得到的就是一个 UTXO，即这个新区块的币基交易（也称创币交易）的输出。币基交易是一个特殊的交易，它没有输入，只有输出。

当甲要把一笔比特币转给乙时，这个过程是把甲的钱包地址中之前的一个 UTXO，用私钥进行签名，发送到乙的地址。这个过程是一个新的交易，而乙得到的是一个新的 UTXO。

这就是为什么有人说在这个世界上根本没有比特币，只有 UTXO，你的地址中的比特币是指没花掉的交易输出。

以Alice向Bob进行转账的过程举例的话：

UTXO与我们熟悉的账户概念的差别很大。我们日常接触最多的是账户，比如，我在银行开设一个账户，账户里的余额就是我的钱。

但在比特币网络中没有账户的概念，你可以有多个钱包地址，每个钱包地址中都有着多个 UTXO，你的钱是所有这些地址中的 UTXO加起来的总和。

中本聪发明比特币的目标是创建一个点对点的电子现金，UTXO的设计正可以看成是借鉴了现金的思路：我们可能在这个口袋里装点现金，在那个柜子角落里放点现金，在这种情况下不存在一个账户，你放在各处的现金加起来就是你所有的钱。

采用 UTXO设计还有一个技术上的理由，这种特别的数据结构可以让双重花费更容易验证。对比一下：