重要概念
- 地址
- 交易
- 区块
- 网络
比特币用地址来标识一笔交易的支出方和接收方。所有的交易被记到统一的账本上，而这个账本是通过区块确认并完成的。每一个新区块的产生，都会被打上时间戳，最终生成按照时间前后排列并加以记录的电子交易证明。每个独立节点之间又通过比特币网络来建立联系，这样就组成了一个去中心化、分布式的电子交易记录时间戳服务器系统。
1.地址
主要用到椭圆曲线签名算法
私钥由 32 字节随机数组成，通过私钥可以算出公钥，公钥经过一系列哈希算法及编码算法就得到了比特币中的地址。因此地址其实是公钥的另一种表现形式，可以理解为公钥的摘要。
具体步骤见知乎链接
2.交易
比特币是一个链式的数字签名串。
前一个交易和下一位所有者的公钥签署一个数字签名，并将这个签名附加在交易的末尾。收款人通过验证签名，就可以验证电子货币的所有者链条。
2.1 交易结构
比特币的交易指转账，为了使价值易于组合和分割，转账通常有多个输入和输出。
（从生成到在网络中传播，再到通过工作量证明、整个网络节点验证，最终记录到比特币的区块链，这就是交易的整个生命周期。）
- 输入标识着交易的发送方
- 输出标识着交易的接收方及对发送方的找零
- 交易的手续费是输入的总和与输出的总和之差。
- 所有的交易输入必然是前面某笔交易的输出
- 所以交易最核心的字段是交易的输出。
2.2 UTXO 结构
Unspent Transaction Outputs 是未花费的交易输出
交易构成的链式结构，所有合法的比特币交易都可以追溯到前一个或多个交易的输出，链条的源头都是挖矿奖励，末尾则是当前未花费的交易输出。所有的未花费的输出即为整个比特币网络的 UTXO。
比特币规定每一笔新交易的输入必须是某笔交易未花费的输出，每一笔输入同时也需要上一笔输出所对应的私钥进行签名，并且每个比特币的节点都会存储当前整个区块链上的 UTXO，整个网络上的节点通过 UTXO 及签名算法来验证新交易的合法性。
比特币的交易输入通常有3种，分别是标准输入（Standard TxIn）、花费挖矿奖励（Spend Coinbase TxOut）、产生挖矿奖励（Coinbase/Generation）
比特币的交易输出有两种，分别是标准交易输出（Standard TxOut）、挖矿奖励输出（Coinbase TxOut）
2.3 脚本
每一笔交易的每一项输出，并不是指向一个地址，而是指向一个脚本。脚本是一套规则，它约束着接收方怎样才能花掉这个输出上锁定的资产。
有两类脚本：
- 锁定脚本
- 解锁脚本
锁定脚本是基于可变的模式，通过一段脚本语言来实现，位于交易的输出。
解锁脚本与锁定脚本相对应，只有按锁定脚本的规则去解，才能花掉这个脚本上对应的资产，位于交易的输入。
脚本语言可以表达出无数的条件变种。所以比特币是“可编程的货币”。
目前常用的比特币脚本主要分为两种：
一种是普通的 P2PKH 类型（Pay-to-Public-Key-Hash），即支付给公钥的哈希值是地址，接收方只需要使用地址对应的私钥对该输出进行签名，即可花掉该输出。
另一种是P2SH（Pay-to-Script-Hash），支付脚本的哈希值。拿多重签名来举例，它要求该输出要有 N 把私钥中的 M 把私钥（M≤N）同时签名才能花掉该资产，它类似于现实生活中需要多把钥匙才能同时打开的保险柜，只是更加灵活。
3. 区块
每个节点都基于已存在的最新区块生成下一个区块，同时将网络中未确认的合法交易包含进去。
这个过程就是将所有的交易打上时间戳标记的过程。
3.1 区块结构
交易会被打包成一个区块，包含到比特币的公开账本（区块链）里。 区块由包含元数据的区块头和紧跟其后的交易列表组成。区块数据结构如下表所示[插图]
区块头的大小为 80 字节，由 4 字节的版本、32 字节的上一个区块的哈希值、32 字节的 Merkle Root Hash、4 字节的时间戳（当前时间）、4 字节的当前难度值、4 字节的随机数等组成。
区块所包含的交易列表则附加在区块头后面。比特币网络约定每个区块的第一笔交易是coinbase 交易，这是一笔为了让矿工获得奖励及手续费的特殊交易。
3.2 Merkle Tree
区块包含的所有交易首先都会通过 Merkle Tree 算法生成 Merkle Root Hash 并存储至区块头的数据结构里。Merkle Tree 算法是用来同步数据一致性的算法，它基于一组哈希值列表构建成一个树，树的根哈希值作为原始数据列表的摘要。
Merkle Tree 具有以下特点：
1）数据结构是一个树，可以是二叉树，也可以是多叉树。
2）Merkle Tree的叶子节点的值是数据集合的单元数据或者单元数据的哈希值。
3）Merkle Tree的非叶子节点的值是所有叶子节点值的哈希值。
区块中所使用的Merkle Tree算法的原理如下图所示。
3.3 时间戳服务器
时间戳服务器对以区块形式存在的一组数据实施随机哈希处理，加上时间戳，并将该随机哈希值进行广播。
该时间戳能够证实特定数据于某特定时间是的确存在的，因为只有在该时刻存在了，才能获取相应的随机哈希值。
每个时间戳应当将前一个时间戳纳入其随机哈希值中，每一个随后的时间戳都对之前的一个时间戳进行增强（Reinforcing），这样就形成了一个链条（Chain）。
4. 网络
比特币采用了基于 P2P（Peer to Peer）的网络架构。
P2P 是指位于同一网络中的每台计算机都是彼此公平、对等的，各个节点共同提供网络服务，不存在任何“特殊”（中心）节点。
P2P 网络通信在比特币之前就已经被应用于文件共享领域了。
比特币被设计成一个点对点的数字现金系统，而 P2P 正好是这个理念的核心特征的反映，也是该特征的基石。
运行在每一台机器上的比特币核心程序就是比特币 P2P 网络中的一个节点。
比特币网络的相关功能如下：
- 新交易广播到全网的节点，每个节点会收到交易消息。
- 每个（挖矿）节点将新交易收集到节点的内存，并组装成区块。
- 每个（挖矿）节点都尝试在自己的区块中找到一个具有足够难度的工作量证明。
- （挖矿）节点找到一个工作量证明，把有效的区块数据向全网进行广播。
- 当且仅当包含在该区块中的交易都是有效的，并验证其完成了工作量证明，其他节点才认同该区块的有效性。
- 其他（挖矿）节点表示接受该区块，并在该区块的末尾制造新的区块以延长整个区块的链条。
在比特币网络中，交易和区块信息的传播是通过洪水算法（Flooding Algorithm）进行的。
简单地说，就是每一个收到信息的节点，向与它相连的所有节点推送该信息。下一个收到信息的节点继续这个过程。通常在一两秒内，交易或者区块的信息就可以传遍全网。
节点始终都将最长的链条作为正确的链条，在它的基础上持续工作并延长它。
如果有两个节点同时广播不同的基于上一个区块的新区块，那么其他节点在接收到该区块的时间先后上将存在差别。在此情形下，它们将在率先收到的区块基础上进行工作，但也会保留另外一个链条，以防后者变成最长的链条。该僵局的打破要等到下一个区块（工作量证明）被发现，当其中的一条链条被证实为是较长的一条时，在另一条分支链条上工作的（挖矿）节点将转换阵营，开始在较长的链条上工作。
所谓“新交易的广播”，实际上不需要抵达网络中的全部节点，只要交易信息能够抵达足够多的节点，它们将很快被整合进一个新的区块中。而区块的广播对被丢弃的信息进行容错处理。
容错处理：如果一个节点没有收到某特定区块，那么该节点将会发现自己缺失了该区块，就会向较长链的节点发出下载该缺失区块的请求。
比特币网络中的矿工们不停地在最新的区块基础上构造下一个区块，通过算力竞争来争取记账权（将新区块写到比特币的区块链的机会），确认网络的转账交易，同时获取区块奖励。
由于每一个区块都包含上一个区块的哈希值，通过这个前向的哈希值，区块以链条的形式进行相连，最终形成了由各个区块组成的记账系统——区块链。
