比特币白皮书由神秘人物中本聪（Satoshi Nakamoto）于2008年发布，奠定了一种去中心化数字货币系统的理论基础。本文深入解析其核心原理、运作机制及技术实现，帮助读者全面理解比特币的设计哲学。
什么是比特币？
比特币是一种基于密码学原理的点对点电子现金系统，允许在线支付直接从一方发送至另一方，无需经过金融机构等中介。数字签名技术是解决方案的一部分，但若仍需第三方机构防止双重支付问题，其主要优势便会丧失。
比特币通过点对点网络技术解决双重支付问题。该网络为交易记录时间戳，并将其哈希值纳入基于工作量证明的链式结构中，形成不可篡改的记录链条。除非重做全部工作量证明，否则已生成的记录无法被修改。
比特币的核心运作原理
去中心化网络结构
比特币网络由众多节点（node）组成，每个节点均保存完整的交易记录。节点通过广播通信，以最佳效率传递信息，并可自由脱离或重新加入网络。重新加入时，节点将接受最长的工作量证明链作为历史记录证据。
交易与数字签名
电子货币被定义为一串数字签名链。每位所有者通过签署前一次交易与下一位所有者公钥的哈希值，将货币转移给接收方。接收方可验证签名以确认所有权链。
然而，接收方无法确认所有者是否对货币进行了双重支付。传统方案依赖中央机构验证每笔交易，但这会使整个金融系统受制于中央机构，且所有交易需经其处理。
时间戳服务器与工作量证明
比特币采用分布式时间戳服务器，通过点对点网络实现工作量证明机制。服务器对区块内项目进行哈希计算，并广泛发布该哈希值，证明特定时间点数据的存在性。每个时间戳包含前一个时间戳的哈希，形成强化验证的链条。
工作量证明要求节点通过扫描特定值，使区块哈希值以若干零位开始。平均所需工作量随零位数呈指数级增长，且可通过单次哈希运算验证。一旦满足工作量证明条件，区块便无法被更改，否则需重做该区块及后续所有区块。
网络运行步骤
- 新交易向所有节点广播。
- 每个节点将新交易打包至区块。
- 每个节点为区块寻找工作量证明。
- 当节点找到工作量证明，即向全网广播该区块。
- 节点仅接受交易有效且未花费过的区块。
- 节点通过在该区块后续建新区块表达接受，并以接受区块的哈希作为前导哈希。
节点始终将最长链视为有效链，并持续扩展其长度。若出现临时分叉，节点将优先处理最先接收的区块分支，但当某一分支因新增工作量证明而变长时，节点将自动切换至更长链。
比特币的经济激励与安全模型
发行机制与挖矿奖励
区块内首笔交易为特殊交易，生成由区块创建者拥有的新比特币。这既激励节点支持网络运行，也为货币进入流通提供初始途径。恒定新增货币量类似于黄金矿工消耗资源将黄金注入流通领域，在比特币中，消耗的资源是CPU时间与电力。
交易费用也可作为激励来源。若交易输出值小于输入值，差额部分即为交易费，被添加至包含该交易区块的激励中。当预设数量的比特币全部进入流通后，激励可完全转为交易费，实现零通胀体系。
安全性与攻击抵抗
激励设计有助于维护节点诚实性。若攻击者掌握超过诚实节点的CPU算力，其将面临选择：利用算力欺骗他人或生成新币。但遵循规则显然更有利可图，因为规则可使攻击者获得比其他人更多的新币，而非破坏系统及自身财富的有效性。
工作量证明机制本质上实现“一CPU一票”的决策模式。多数决策体现为最长链，即包含最大累计工作量的链条。只要诚实节点控制多数CPU算力，诚实链将以更快速度增长，超越任何竞争链。修改已有区块需重做该区块及所有后续区块的工作量证明，并赶上诚实节点的进度。随着后续区块不断添加，攻击者成功概率将指数级降低。
存储优化与简化验证
默克尔树与存储压缩
交易通过默克尔树（Merkle Tree）进行哈希处理，仅将树根包含于区块哈希中。旧区块可通过剪除树枝压缩存储，内部哈希无需保留。无交易的区块头大小约为80字节。按每10分钟生成一个区块计算，年存储需求约为4.2MB。遵循摩尔定律，存储空间不会成为瓶颈。
轻节点验证
用户无需运行全节点即可验证支付。仅需保存最长工作量证明链的区块头副本，并通过查询网络节点确认所获链条为最长链。同时，获取连接交易至时间戳区块的默克尔树枝，即可验证网络是否已接受该交易。虽然无法独立验证交易，但通过确认交易被纳入链条且后续区块不断追加，可认定交易已获网络确认。
此种验证方式在诚实节点控制网络时可靠，但若网络被攻击者掌控，则可能受伪造交易欺骗。经常接收支付的企业可能仍需运行独立节点，以实现更高安全性与快速验证。
隐私保护与价值组合
隐私实现机制
传统银行模式通过限制信息获取范围实现隐私保护。比特币需公开所有交易，但可通过切断信息流其他环节保障隐私：保持公钥匿名性。公众可看到某人向他人转账金额，但无法关联交易与实际身份。此类似于股市公开交易时间和规模的“行情带”，但不透露参与方信息。
为增强安全性，每笔交易应使用新密钥对，避免关联至共同所有者。多输入交易仍会不可避免暴露输入为同一所有者，但风险仅限于该密钥所有者身份泄露时的交易关联。
价值分割与合并
交易可包含多个输入和输出，实现价值分割与组合。通常存在来自前次较大交易的单个输入，或组合较小金额的多个输入；输出至少包括支付额和找零（如有）。即使在扇出模型下，交易依赖多笔前序交易，也无需提取完整独立交易历史。
攻击概率与等待确认
攻击者追赶概率
假设攻击者试图创建比诚实链更长的替代链。即使成功，系统也不会任由其进行任意更改，如凭空创造货币或窃取他人资金。节点不会接受无效交易付款，诚实节点也不会接受含此类交易的区块。攻击者仅能尝试修改自己发起的交易，夺回已消费资金。
诚实链与攻击链的竞赛可表征为二项随机游走。成功事件为诚实链延长一区块（优势+1），失败事件为攻击链延长一区块（劣势-1）。攻击者追上劣势的概率类似于赌徒破产问题。假设p>q，概率随需追赶区块数增加呈指数级下降。
交易确认等待时间
收款方需等待交易被纳入区块并后续连接z个区块后，方能确认付款方无法篡改交易。假设诚实节点生成区块所需时间为平均期望值，攻击者潜在进展服从泊松分布。通过计算概率公式可得出结论：等待6个区块后，攻击者成功概率低于0.1%，交易可视为安全。
总结
比特币系统实现了无需信任依赖的电子交易。其以数字签名框架为基础，提供对所有权的高度控制，并通过点对点网络与工作量证明机制解决双重支付问题。交易历史记录的公开性使得攻击者难以在诚实节点控制多数CPU算力时篡改数据。
网络结构简单而健壮：节点以最小协调度并行工作，消息无需路由至特定目标，仅需尽力传播。节点可自由离线和重新加入，接受工作量证明链作为期间事件证据。节点通过CPU算力投票，延长有效区块并拒绝无效区块，所有规则与激励均通过此共识机制强制执行。
常见问题
比特币如何防止双重支付？ 比特币通过点对点网络和工作量证明机制确保交易时序。所有交易被时间戳记录并纳入哈希链，修改任一交易需重做该区块及后续所有区块的工作量证明，使得双重支付在计算上不可行。
挖矿在比特币中起什么作用？ 挖矿是节点通过计算竞争生成新区块的过程。成功挖出区块的节点获得新比特币奖励和交易费，同时维护网络安全和交易确认。👉 查看实时挖矿数据
比特币交易是否完全匿名？ 比特币交易并非完全匿名，而是伪匿名。所有交易公开可查，但地址不直接关联用户身份。通过为每笔交易使用新地址，可增强隐私保护。
轻钱包如何验证交易？ 轻钱包仅存储区块头数据，通过默克尔证明验证交易是否被纳入区块链。它依赖全节点提供信息，在诚实节点占多数时验证可靠。
为什么需要等待6个区块确认？ 等待多个区块确认可降低交易被逆转的风险。根据概率模型，后续区块不断添加后，攻击者成功替换链条的概率指数级下降，6次确认后概率低于0.1%。
比特币的总量有限吗？ 是的，比特币总量上限为2100万枚。通过区块奖励减半机制，新增发行量逐步下降，最终依靠交易费维持激励。
