理解比特币的交易

一般的电子支付平台都是中心化的、基于账户系统的。我们必须先开通账户，然后才能进行存取款和转账操作。比特币在这方面有很大的不同，它是一个完全基于交易数据的分布式账本，形式比较类似于现金交易，货币直接被转移，而不是中心化平台下的账户余额数量的变更。下面就来讲解一下这套机制的内部原理和被采用的原因。

交易的形式

在古装剧里我们经常可以看到人们用碎银子来付账：挑选一块或者几块碎银子，凑足金额，付给店家；如果不好找钱，可以把银子再剪碎。比特币跟银子的这种使用方式很相像，交易时钱包软件会从钱包里挑选出金额合适的一个或几个比特币，打包生成交易数据，通过分割的方式来实现找零。

在代码层面，Transaction代表交易，TxIn代表交易的输入，也就是付款，TxOut代表交易输出，也就是收款。一个Transaction包含一个TxIn数组和一个TxOut数组。TxOut对象包含金额信息和用于验证交易的脚本（称为锁定脚本）。它就类似于碎银子，是我们交易时实际使用的货币，在比特币里称为Coin（又叫UTXO：Unspent Transaction Output)。锁定脚本代表拥有者的身份标记，未来消费这个Coin时需要用脚本来校验交易者的身份信息，确认Coin的所有权。TxIn对象包含对以前的某个TxOut对象的索引和交易发起者的身份信息（称为解锁脚本）。

每次交易时，原有的Coin经过等量变换后(可能被分割或重组），变成新的Coin，并被打上收款方的身份标记。交易信息被打包到区块中，然后组装成区块链，这样就形成了比特币的账本。

铸币

碎银子来源于银锭，银锭一般是由官府负责铸造。而比特币的铸币过程被称为挖矿。矿工通过哈希碰撞来夺得铸币权，然后制造出一个比特币的Coin，记录到区块链中，这样这个Coin就开始进入比特币的流通体系。

由于比特币的账本是基于交易信息的，所以挖矿是作为一种特殊的、“无中生有”的交易（Coinbase交易）被记录进区块链。这个交易并不需要实际的输入，它的TxIn是虚拟的，不用指向以前的某个TxOut对象。和普通交易一样的是，CoinBase交易的输出就是最后产生的新的Coin，并会打上矿工的身份标记以示所有权。另外，矿工负责将交易信息打包成区块，并广播到P2P网络中。在这个过程中，矿工会统计和收集打包的交易里的交易费用，作为自己挖矿奖励的一部分，一并计入所挖到的Coin的金额里。

交易的校验

由于碎银子是实物，它的所有权一般不存在争议，谁拿在手里就可以认为是谁的。而比特币是一种数字货币和资产，需要有一种机制来标识和验证所有权。比特币实际采用的是secp256k1椭圆曲线加密算法和基于脚本的自定义校验流程。前者为比特币的交易安全打下了坚实的基础，后者则让上层应用可以灵活的定制和扩展交易方式，例如基于多重签名的中介担保和联合账户。

对于数字内容和数字资产的身份标识，一般采用数字签名的方式，基于非对称加密算法，使用私钥对数据进行签名，使用公钥对签名进行校验。比特币也是一样，交易发起方使用自己的私钥，对交易核心信息的哈希进行签名，把签名数据放入TxIn的解锁脚本中。在交易的TxOut的锁定脚本中则放入收款方的公钥数据和校验指令，以供这个TxOut未来被使用时校验其合法性。

这里有两个TxOut对象，注意不要搞混了。一个是当前交易的收款方TxOut，一个是当前交易的TxIn对应的以前收到的某个TxOut。要记住，TxIn只是之前TxOut对象的索引加上用户消费时的签名。验证一个交易时，用到的是TxIn和它对应的之前TxOut，而不是当前交易收款方的TxOut。如果把TxOut比作用带锁的盒子锁起来的碎银子，TxIn就相当于提供记录盒子所在位置的地图和开锁的钥匙。

上面说的校验过程是比特币钱包一般采用的方法。比特币核心只是提供了一套基于脚本的自定义校验机制，具体怎么操作，可以由上层钱包应用自主选择。下面的常用的一些脚本模板：

最简单的校验脚本（早期版本中曾使用过）

Pubkey script:  OP_CHECKSIG
Signature script: 

一般的P2KH校验脚本

Pubkey script: OP_DUP OP_HASH160  OP_EQUALVERIFY OP_CHECKSIG
Signature script:  

P2SH校验脚本

Pubkey script: OP_HASH160  OP_EQUAL
Signature script:  [sig] [sig...] 

多重签名校验脚本

Pubkey script:   [B pubkey] [C pubkey...]  OP_CHECKMULTISIG
Signature script: OP_0  [B sig] [C sig...]

2-3的P2SH多重签名校验脚本

Pubkey script: OP_HASH160  OP_EQUAL
Redeem script:      OP_CHECKMULTISIG
Signature script: OP_0   

账户和钱包

比特币的内核中并没有账户的概念，只需要公私钥对就可以进行交易。上层应用中会把公私钥对包装成账户，以方便用户的使用。所以比特币的账户不需要到哪里去申请，个人可以随便创建，而且可以创建很多个。

比特币钱包是面向普通用户的上层应用，满足用户的转账和消费需求。钱包可以创建一个或多个账户，钱包的余额就是钱包里所有账户名下的Coin/UTXO的总金额，就跟古人的钱袋子一样。

原因

为什么比特币不采用基于账户的记账方式？原因还是在于去中心化。

在基于账户的支付体系中，交易是有严格次序的，每一笔交易对应账户余额的相应变化，只有中心化的服务器才能保证交易的顺序性和数据的一致性。

但比特币是完全去中心化的，没有中心服务器来控制交易的次序。例如，在同一时刻，可能有多个人向同一个账户转账，这时不同的节点收到这些交易信息的顺序是不一样的，它们看到该账户的余额也是不一样的。这样账户余额信息就无法在不同节点中保持数据的一致性。再例如，一个账户连续发起多个交易，虽然这些交易在本地是有次序的，但在P2P网络中传播时，却无法保证它们以相同的次序传到所有的节点。这样的话，以账户和余额为基础的交易就可能出现问题，无法被正确的校验。

所以，比特币选择了传统货币的交易方式，直接跟踪记录货币本身的转移，而非记录账户余额的变化，从而绕开前面列举的问题。

结语

去中心化虽然很美好，但也让比特币的功能和性能受到很多限制。不过这更激发了业界人士的创造力和想象力。他们通过不断的努力，设计出各种巧妙的方案，改进现有的系统和拓展新的应用，这也正是区块链技术特别吸引人的一面。