比特币依靠UTXO交易模型、SHA256工作量证明共识、链式区块存储、全网节点验证以及四年减半发行规则共同完成去中心化运行,全程无需第三方机构管控,依靠密码学和算力约束实现交易确权、账本同步与货币发行。比特币没有传统账户余额概念,采用未花费交易输出模型完成资金流转,用户发起转账时,会引用过往交易中未被使用的输出作为交易输入,通过私钥生成数字签名证明所有权,公钥则作为收款地址对外公开。所有合法交易完成签名后会向全网广播,各个完整节点独立校验签名有效性、UTXO是否已经被花费、交易金额逻辑是否合规,校验无误的交易进入内存池等待矿工打包,无效交易直接被节点丢弃,从源头杜绝双重支付和伪造交易行为。

矿工是网络记账的执行主体,会优先挑选手续费较高的交易组成候选区块,区块分为80字节的区块头和存储全部交易的区块体,区块头包含上一区块哈希值、交易默克尔根、时间戳、难度目标和随机数,依靠默克尔树可以用一个哈希值概括区块内所有交易,方便节点快速核验交易完整性。矿工不断修改随机数,反复对区块头进行SHA256双重哈希运算,直到计算结果哈希值前导零数量满足全网难度要求,率先算出结果的矿工获得新区块记账权,同时获得区块奖励和打包交易的手续费收益。系统每2016个区块也就是大约两周自动调整一次挖矿难度,保证全网平均每10分钟稳定产出一个新区块,无论全网算力暴涨还是下降,出块速度始终维持稳定。

新区块生成之后会立刻向全网所有节点广播,全网节点依次完成多重校验,首先验证工作量证明结果是否符合难度标准,再核对区块内每一笔交易签名和UTXO状态,同时确认区块哈希和上一区块能够完整衔接。全部验证通过后,节点将该区块追加在本地区块链末尾,全网所有节点同步更新同一份公共账本,所有历史交易记录永久封存。如果出现短暂分叉,所有节点默认选择累计工作量最多的最长链作为合法主链,孤块中的交易重新回到内存池,等待后续区块再次打包确认,交易随着区块数量增加,篡改难度呈指数级上升,一般经过6个区块确认后,交易基本具备不可逆性。

比特币的货币发行完全嵌入挖矿激励机制,初始每个区块奖励50枚比特币,每挖出21万个区块奖励减半一次,也就是大约四年一个减半周期,比特币总量上限固定为2100万枚,预计在2140年左右全部发行完毕。早期矿工收益以区块增发奖励为主,后期增发奖励逐步归零,矿工收入将完全依靠用户支付的交易手续费,手续费由用户自由设定,网络拥堵时期,高额手续费的交易会被矿工优先打包,以此调节网络资源分配。这套激励机制持续吸引全球算力参与维护,算力规模越大,篡改整条区块链所需成本越高,网络安全性也就越强。
整个比特币网络由全节点、轻节点、矿工节点共同构成,全节点保存完整区块链数据,负责完整校验和账本同步;轻节点无需下载全部账本,依靠默克尔证明验证自身相关交易,满足普通用户使用需求。所有协议规则公开透明,没有任何机构可以单方面修改协议,任何规则变更都需要全网绝大多数节点达成共识才能落地。依靠密码学加密、算力竞争、最长链共识、固定总量激励四大支柱,比特币可以在完全去中心化环境下稳定运行,实现点对点价值传输。
