揭秘比特币挖矿科普专辑——深入解析交易与挖矿机制

近期，博主倾心打造了一份易懂的挖矿科普专辑，旨在全方位揭示加密货币交易从发生到挖矿确认的全过程，解答关于挖矿收益产生的环节、何为算力、收益如何分配等一系列问题。

1.我们要明确比特币挖矿的核心目标在于打包交易与维护比特币网络稳定运行。在此背景下，交易成为与挖矿紧密相连的第一环。比特币交易运用了非对称加密、数字摘要以及区块链等先进技术手段，此处不再赘述其具体实现细节。本文的主要任务是用平易近人的语言，帮助广大技术新手理解比特币交易的运作原理。

非对称加密：一种采用公开密钥体系的加密方式，具备两个主要功能：一是保障信息传输安全，允许他人利用公钥加密数据后发送给持有相应私钥的人解密；二是确保信息来源可靠性，公钥持有者使用私钥对信息签名，接收方通过公钥验证签名，证实信息确出自公钥持有人。

哈希算法：将大量数据压缩成固定长度、较小的数字摘要（又称指纹或哈希值）。优秀的哈希算法应具有不可逆性、敏感性和抗冲突性等特点。

比特币中的公钥与私钥：比特币系统中，公钥与私钥成对生成，通过非对称加密算法（如椭圆曲线算法）产生。公钥经两次SHA256哈希运算生成散列值，并通过Base58Check编码生成钱包地址。钱包地址可用于验证私钥签名及加密数据等操作。

UTXO：比特币世界的抽象货币形式，每个UTXO由一个公钥（即钱包地址）锁定，仅当拥有对应私钥时，可通过私钥签名解锁并使用此UTXO，可将其形象地比喻为可变面额的“抽象纸币”。

让我们跳出代码层面，探讨一下比特币交易的实际流程。假设甲、乙、丙、丁四位参与者各自持有比特币钱包，私钥个人保管，公钥形成的钱包地址公开于比特币网络之中，用于UTXO的锁定与验证。

起初，甲向丙转移0.7 BTC，交易记录为“UTXO(1)：甲给丙0.7 BTC”，乙则向丙转移0.5 BTC，相应的交易记录为“UTXO(2)：乙给丙0.5 BTC”。这时，丙的钱包账户余额即为其拥有的两个UTXO总和，即丙的比特币总数 = UTXO(1) + UTXO(2) = 1.2 BTC。

某日，丙欲向丁购买一批货物，需支付0.8 BTC。于是丙在比特币网络中向丁发起转账，但由于现有UTXO数额不足，必须合并使用两笔UTXO，类似于现实生活中找零的现金交易行为。

以下为完整交易流程：

丙通过比特币钱包准备交易信息，其中包括输入和输出两个要素。输入包含UTXO(1)和UTXO(2)，并通过丙的私钥签名解锁这些被其公钥锁定的UTXO以供使用。

输出部分尚未确认的新UTXO(3)为“丙给丁0.8 BTC”，指向丁的钱包公钥，交易确认后将由丁的钱包公钥锁定。同时，丙还需找零，为此创建另一个尚未确认的新UTXO(4)：“丙给丙0.3999 BTC”，同样指向丙的钱包公钥，交易确认后也将被丙的钱包公钥锁定。

找零金额并非整数0.4 BTC的原因在于，比特币网络要求支付交易手续费。剩余的0.0001 BTC没有指向任何钱包公钥，而是作为交易手续费支付给负责打包这笔交易的矿工。现今的比特币钱包软件已能自动完成找零操作，无需用户过多操心。

交易信息准备好之后，丙的钱包将对交易合法性进行验证（确保UTXO的有效性、签名有效性、输入输出金额合理性等），验证无误后，交易广播至比特币网络，由挖矿节点进行验证并打包交易（即将交易记入区块），随后矿工广播新区块以确认交易完成。

自此，旧的UTXO被消耗，新的UTXO开始生效。丁的钱包内出现了一个未使用的UTXO(3)：“丙给丁0.8 BTC”，而丙的钱包内也有一个未使用的UTXO(4)：“丙给丙0.3999 BTC”。

透过上述抽象化的比特币交易流程，我们不难看出比特币交易实际上是一个UTXO输入和输出交替进行的过程。伴随着旧UTXO的消耗与新UTXO的产生，一次次的比特币交易得以顺利完成。与此同时，交易过程受到非对称加密和哈希算法的双重保护，使得比特币持有者能够在确保信息安全的前提下安心交易，而交易过程中消耗的一部分比特币则用于奖励那些维护比特币网络的矿工们，激励他们持续承担这一重要职责。