比特币是由一系列概念和技术作为基础构建的数字货币生态系统，本文为阅读《精通比特币》一书做的笔记，摘抄一些比特币的知识。
1. 比特币介绍
比特币是由一系列概念和技术作为基础构建的数字货币生态系统。狭义的“比特币”代表系统中的货币单位，用于储存和传输价值。
挖矿把央行的货币发行和结算功能进行分布式，用全球化的算力竞争来取代对中央发行机构的需求。
比特币协议还规定，每四年新币的开采量减半，同时限制比特币的最终开采总量为2,100万枚。这样，流通中的比特币数量非常接近一条曲线，并将在2140年比特币将达到2,100万枚。由于比特币的开采速度随时间递减，从长期来看，比特币是一种通货紧缩货币。
比特币系统包含调节挖矿难度的协议。挖矿——在比特币网络中成功写入一个区块交易——的难度是动态调整的，保证不管有多少矿工（多少CPU）挖矿，平均每10分钟只有一个矿工成功。
任何接受数字货币的人都面临的两个基本问题是：
- 我能相信这钱是真实可信的，而不是伪造的吗？
- 我能确定没人说这笔钱是他们的，而不是我的吗？（又名“双重支付”问题）
纸币的发行机构不断的利用日益复杂的纸张和打印技术来遏制造假问题；实物货币很容易解决双重支付问题，同一张纸币不可能会同时出现在两个不同的地方
2. 比特币原理
在比特币术语中，“消费”指的是签署一笔交易：转移一笔以前交易的比特币给以比特币地址所标识的新所有者。
比特币系统的信任是建立在计算的基础上的。交易被包在一起放进区块中时需要极大的计算量来证明，但只需少量计算就能验证它们已被证明。
挖矿在比特币系统中起着两个作用：
- 挖矿在构建区块时会创造新的比特币，和一个中央银行印发新的纸币很类似。每个区块创造的比特币数量是固定的，随时间会渐渐减少。
- 挖矿创建信任。挖矿确保只有在包含交易的区块上贡献了足够的计算量后，这些交易才被确认。区块越多，花费的计算量越大，意味着更多的信任。
比特币客户端
可以从bitcoin.org下载标准客户端，即比特币核心，也叫“中本聪客户端”（satoshi client）。它实现了比特币系统的所有方面，包括钱包、对整个交易账簿（区块链）完整拷贝的交易确认引擎，和点对点比特币网络中的一个完整网络节点。
对于开发者，可以选择下载包含完整源代码的ZIP包，也可以从Github上克隆权威的源码仓库。在GitHub上的比特币页面，在侧边栏选择下载ZIP。或者使用git命令行（git command line）在自己系统上创建源码的本地拷贝。
比特币的交易是基于花费“输出”上的，即上一笔交易的支出，整个交易在地址之间转移所有权。我们的钱包现在收到了一笔向我们钱包地址发来的钱（输出）。一旦它被确定之后，那笔钱就属于我们了。
3. 密钥、地址、钱包
比特币的所有权是通过数字密钥、比特币地址和数字签名来确立的。
数字密钥实际上并不是存储在网络中，而是由用户生成并存储在一个文件或简单的数据库中，称为钱包。存储在用户钱包中的数字密钥完全独立于比特币协议，可由用户的钱包软件生成并管理，而无需区块链或网络连接。
只有有效的数字密钥才能产生有效的数字签名，因此拥有比特币的密钥副本就拥有了该帐户的比特币控制权。密钥是成对出现的，由一个私钥和一个公钥所组成。公钥就像银行的帐号，而私钥就像控制账户的PIN码或支票的签名。
（1）公钥加密和加密货币
自从公钥加密被发明之后，一些合适的数学函数被提出，譬如：素数幂和椭圆曲线乘法。这些数学函数都是不可逆的，就是说很容易向一个方向计算，但不可以向相反方向倒推。
比特币正是使用椭圆曲线乘法作为其公钥加密的基础算法。
支付比特币时，比特币的当前所有者需要在交易中提交其公钥和签名（每次交易的签名都不同，但均从同一个私钥生成）。比特币网络中的所有人都可以通过所提交的公钥和签名进行验证，并确认该交易是否有效，即确认支付者在该时刻对所交易的比特币拥有所有权。
（2）私钥和公钥
私钥就是一个随机选出的数字而已。更准确地说，私钥可以是1和n-1之间的任何数字，其中n是一个常数（n=1.158 * 10^77，略小于2^256）。
通过椭圆曲线算法可以从私钥计算得到公钥，这是不可逆转的过程：K = k * G 。其中k是私钥，G是被称为生成点的常数点，而K是所得公钥。
（3）比特币地址
比特币地址是一个由数字和字母组成的字符串，可以与任何想给你比特币的人分享。由公钥（一个同样由数字和字母组成的字符串）生成的比特币地址以数字“1”开头。
比特币地址与公钥不同。比特币地址是由公钥经过单向的哈希函数生成的。
Base58是Base64编码格式的子集，同样使用大小写字母和10个数字，但舍弃了一些容易错读和在特定字体中容易混淆的字符。具体地，Base58不含Base64中的0（数字0）、O（大写字母o）、l（小写字母L）、I（大写字母i），以及“+”和“/”两个字符。
Base58Check是一种常用在比特币中的Base58编码格式，增加了错误校验码来检查数据在转录中出现的错误。
Base58Check编码：一种Base58格式的、有版本的、经过校验的格式，可以明确的对比特币数据编码的编码格式。
在比特币中，大多数需要向用户展示的数据都使用Base58Check编码，可以实现数据压缩，易读而且有错误检验。
回顾比特币地址产生的完整过程，从私钥、到公钥（椭圆曲线上某个点）、再到两次哈希的地址，最终产生Base58Check格式的比特币地址。
（4）压缩格式公钥
（4）压缩格式私钥
“压缩的私钥”实际上只是表示“用于生成压缩格式公钥的私钥”，而“非压缩格式私钥”用来表明“用于生成非压缩格式公钥的私钥”。为避免更多误解，应该只可以说导出格式是“WIF压缩格式”或者“WIF”，而不能说这个私钥是“压缩”的。
（5）比特币钱包
钱包是私钥的容器，通常通过有序文件或者简单的数据库实现。
比特币钱包只包含私钥而不是比特币。每一个用户有一个包含多个私钥的钱包。钱包中包含成对的私钥和公钥。用户用这些私钥来签名交易，从而证明它们拥有交易的输出（也就是其中的比特币）。比特币是以交易输出的形式来储存在区块链中（通常记为vout或txout）。
- 零型非确定钱包：举个例子，比特币核心客户端预先生成100个随机私钥，从最开始就生成足够多的私钥并且每把钥匙只使用一次。
- 确定性（种子）钱包：包含通过使用单项离散方程而可从公共的种子生成的私钥。
- 分层确定性钱包（HD钱包）：分层确定性钱包包含从数结构所生成的钥匙。这种母钥匙可以生成子钥匙的序列。这些子钥匙又可以衍生出孙钥匙，以此无穷类推。
4. 交易
比特币交易的本质是数据结构，这些数据结构中含有比特币交易参与者价值转移的相关信息。比特币区块链是全球复式记账总账簿，每个比特币交易都是在比特币区块链上的一个公开记录。
一张支票是指定一个特定账户作为资金来源的，但是比特币交易指定以往的一笔交易作为其资金来源，而不是一个特定账户。
一旦一笔比特币交易被创建，它会被资金所有者（们）签名。如果它是合法创建并签名的，则该笔交易现在就是有效的，它包含了转移这笔资金所需要的所有信息。最终，有效的比特币交易必须能接入比特币网络，从而使之能被传送，直至抵达下一个登记在公共总账薄（区块链）的挖矿节点。
比特币交易因此可以通过未加密网络（例如WiFi、蓝牙、NFC、ChirP、条形码或者复制粘贴至一个网页表格）被发送到比特币网络。在一些极端情况下，一笔比特币交易可以通过封包无线电、卫星或短波、扩频或跳频以避免被侦测或阻塞通信的方式进行传输。一笔比特币交易甚至可被编为文字信息中的表情符号并被发表到在线论坛，或被发送成一条短信或一条Skype聊天信息。因为比特币将金钱变成了一种数据结构，所以在本质上是不可能阻止任何人创建并执行比特币交易的。
一旦一笔比特币交易被发送到任意一个连接至比特币网络的节点，这笔交易将会被该节点验证：
- 如果交易被验证有效，该节点将会将这笔交易传播到这个节点所连接的其他节点；同时，交易发起者会收到一条表示交易有效并被接受的返回信息
- 如果这笔交易被验证为无效，这个节点会拒绝接受这笔交易且同时返回给交易发起者一条表示交易被拒绝的信息
为了避免垃圾信息的滥发、拒绝服务攻击或其他针对比特币系统的恶意攻击，每一个节点在传播每一笔交易之前均进行独立验证。 一个异常交易所能到达的节点不会超过一个。
（1）交易的输出和输入
比特币交易的基本单位是未经使用的一个交易输出，简称UTXO。
UTXO是不能再分割、被所有者锁住或记录于区块链中的并被整个网络识别成货币单位的一定量的比特币货币。
比特币钱包通过扫描区块链并聚合所有属于该用户的UTXO来计算该用户的余额。
在比特币的世界里既没有账户，也没有余额，只有分散到区块链里的UTXO。
（2）交易费
交易费基于市场所设置，生效于比特币网络中。矿工依据许多不同的标准，按重要性对交易进行排序，这包括费用，并且甚至可能在某种特定情况下免费处理交易。交易费影响处理优先级，这意味着有足够费用的交易会更可能地被包含在下一个挖出的区块中；与此同时，交易费不足或者没有交易费的交易可能会被推迟，基于尽力而为的原则在几个区块之后被处理，甚至可能根本不被处理。
交易费不是强制的，而且没有交易费的交易也许最终会被处理，但是，包含交易费将提高处理优先级。
（3）把交易费加到交易中
交易的数据结构没有交易费的字段。相反地，交易费通过所有输入的总和，以及所有输出的总和之间的差来表示。
从所有输入中扣掉所有输出之后的多余的量会被矿工收集走。
对于交易来说，这是一个很让人摸不着头脑的元素，但又是很重要的问题。因为如果你要构造你自己的交易，你必须确认你没有疏忽地包含了一笔少于输入的、量非常大的费用。这意味着你必须计算所有的输入，如果必要的话进行找零，不然的话，结果就是你给了矿工一笔可观的劳动费！
高交易费不是因为付的钱很多，而是因为交易很复杂并且尺寸很大——交易费是与参加交易的比特币值无关的。
（4）交易脚本和脚本语言
比特币的交易验证引擎依赖于两类脚本来验证比特币交易：一个锁定脚本和一个解锁脚本。
锁定脚本是一个放在一个输出值上的“障碍”，同时它明确了今后花费这笔输出的条件。解锁脚本是一个“解决”或满足被锁定脚本在一个输出上设定的花费条件的脚本，同时它将允许输出被消费。
每一个比特币客户端会通过同时执行锁定和解锁脚本来验证一笔交易。对于比特币交易中的每一个输入，验证软件会先检索输入所指向的UTXO。这个UTXO包含一个定义了花费条件的锁定脚本。接下来，验证软件会读取试图花费这个UTXO的输入中所包含的解锁脚本，并执行这两个脚本。
（5）图灵非完备性
比特币脚本语言包含许多操作，但都故意限定为一种重要的方式——没有循环或者复杂流控制功能以外的其他条件的流控制。
这样就保证了脚本语言的图灵非完备性，这意味着脚本的复杂性有限，交易可执行的次数也可预见。
（6）标准交易
在比特币最初几年的发展过程中，开发者对可以经由客户端进行操作的脚本类型设置了一些限制。这些限制被编译为一个Standard（）函数，该函数定义了五种类型的标准交易。
五大标准脚本分别为P2PKH、P2PK、MS（限15个密钥）、P2SH和OP_Return。
5. 比特币网络
（1）P2P网络架构
比特币采用了基于国际互联网（Internet）的P2P（peer-to-peer）网络架构。
P2P是指位于同一网络中的每台计算机都彼此对等，各个节点共同提供网络服务，不存在任何“特殊”节点。
P2P网络的节点之间交互运作、协同处理：每个节点在对外提供服务的同时也使用网络中其他节点所提供的服务。P2P网络也因此具有可靠性、去中心化，以及开放性。
在比特币之外，规模最大也最成功的P2P技术应用是在文件分享领域：Napster是该领域的先锋，BitTorrent是其架构的最新演变。
（2）节点类型及分工
每个比特币节点都是路由、区块链数据库、挖矿、钱包服务的功能集合。
（3）扩展比特币网络
运行比特币P2P协议的比特币主网络由大约7000-10000个运行着不同版本比特币核心客户端（Bitcoin Core）的监听节点、以及几百个运行着各类比特币P2P协议的应用（例如BitcoinJ、Libbitcoin、btcd等）的节点组成。比特币P2P网络中的一小部分节点也是挖矿节点，它们竞争挖矿、验证交易、并创建新的区块。许多连接到比特币网络的大型公司运行着基于Bitcoin核心客户端的全节点客户端，它们具有区块链的完整拷贝及网络节点，但不具备挖矿及钱包功能。这些节点是网络中的边缘路由器（edge routers），通过它们可以搭建其他服务，例如交易所、钱包、区块浏览器、商家支付处理（merchant payment processing）等。
（4）网络发现
新的网络节点必须发现至少一个网络中存在的节点并建立连接。
节点通常采用TCP协议、通常使用8333端口与已知的对等节点建立连接。
在建立连接时，该节点会通过发送一条包含基本认证内容的version消息开始“握手”通信过程。
新节点是如何发现网络中的对等节点的呢？虽然比特币网络中没有特殊节点，但是客户端会维持一个列表，那里列出了那些长期稳定运行的节点。这样的节点被称为“种子节点（seed nodes）”。
节点必须持续进行两项工作：在失去已有连接时发现新节点，并在其他节点启动时为其提供帮助。
一个节点，如果连接到大量的其他对等节点，这既没必要，也是对网络资源的浪费。在启动完成后，节点会记住它最近成功连接的对等节点；因此，当重新启动后它可以迅速与先前的对等节点网络重新建立连接。如果先前的网络的对等节点对连接请求无应答，该节点可以使用种子节点进行重启动。
如果已建立的连接没有数据通信，所在的节点会定期发送信息以维持连接。如果节点持续某个连接长达90分钟没有任何通信，它会被认为已经从网络中断开，网络将开始查找一个新的对等节点。
