比特币运作原理 | AI生成和翻译
从技术层面看，比特币通过密码学、点对点网络以及名为工作量证明（PoW）的共识机制协同运作。以下是关键组件与流程的解析：
1. 密码学基础
- 哈希算法（SHA-256）：比特币重度依赖SHA-256密码学哈希函数。该函数可接收任意输入数据并生成固定长度256位的输出（即哈希值）。比特币运用的SHA-256核心特性包括：
- 确定性：相同输入始终产生相同输出
- 单向性：通过输出值逆向推算输入值在计算上不可行
- 抗碰撞性：极难找到两个不同输入产生相同输出
- 数字签名（ECDSA）：比特币使用椭圆曲线数字签名算法（ECDSA）保障交易安全。每位比特币用户持有一对密码学密钥：
- 私钥：用于授权（签署）交易的秘密密钥
- 公钥：由私钥衍生的公开密钥，用于验证对应私钥签署交易的真实性
- 比特币地址：通过系列哈希运算与编码步骤从公钥衍生而成，是用户接收比特币时提供的”地址”
2. 区块链
- 分布式账本：比特币通过名为区块链的公开去中心化账本，按时间顺序透明记录所有交易
- 区块结构：交易被打包成区块，每个区块包含：
- 经验证的交易集合
- 指向链上前一区块哈希值的引用（形成链式结构）
- 随机数：挖矿过程中使用的随机数值
- 时间戳
- 当前区块自身的哈希值
- 不可篡改性：区块一旦加入区块链，修改将变得极其困难。因为攻击者需要重新计算该区块及所有后续区块的哈希值，这对掌控网络算力不足51%的攻击者而言在计算上不可行
3. 交易机制
- 交易结构：比特币交易通常包含：
- 输入：指向发送方此前接收比特币的交易记录（本质是特定”未花费交易输出”的指针）
- 输出：指定接收方比特币地址及发送金额（单交易可含多输出）
- 签名：使用发送方私钥生成的数字签名，证明比特币所有者已授权交易
- 广播传输：交易创建并签名后，将广播至比特币点对点网络
4. 挖矿与工作量证明
- 矿工角色：作为网络节点负责验证交易并将其添加至区块链
- 交易验证：矿工从网络收集待确认交易并验证有效性（如确认发送方余额充足、数字签名有效）
- 构建新区块：将已验证交易打包至新区块，同时包含特殊的”创币交易”（用于奖励新生成比特币及该区块内所有交易的转账手续费）
- 工作量证明：矿工必须通过SHA-256算法解决计算难题才能添加新区块：
- 矿工持续变更区块头中的随机数
- 对每个随机数计算整个区块头的SHA-256哈希值
- 目标是找到符合特定前导零数量要求的哈希值（零位数由网络难度值决定）
- 该过程需通过大量计算进行暴力破解
- 区块验证与共识：矿工找到有效哈希值后向全网广播新区块，其他节点将验证：
- 区块内交易有效性
- 区块哈希值正确性
- 哈希值符合当前难度目标
- 前一区块哈希引用正确
- 链上确认：验证通过后，节点将接受该区块并更新本地区块链副本。最长链被视作权威版本，确保全网对交易顺序与有效性达成共识
5. 激励机制
- 区块奖励：成功挖出新区块的矿工获得新生成比特币奖励（当前为3.125 BTC，约每四年通过”减半”事件削减）
- 交易手续费：矿工同时收取用户自愿支付的转账手续费，激励矿工优先处理特定交易
6. 去中心化与安全
- 点对点网络：基于去中心化点对点网络运行，无中央控制机构，交易与区块在全球众多计算机间传播
- 抗审查性：区块链的分布式特性与修改所需的高算力要求，使单一实体难以审查交易或控制网络
- 密码学保障：强密码学技术确保交易与区块链的安全完整性。私钥保障用户资产控制权，数字签名防止交易篡改，工作量证明机制使恶意篡改交易历史需付出巨大计算成本
综上所述，比特币的技术运作依赖密码学技术、分布式透明账本与计算密集型共识机制的精密协同，共同保障其安全性、不可篡改性及去中心化特性。