数字货币概论 课件 第8章 BTC比特币

第八章

BTC/比特币第一节比特币的产生与发展第二节去中心理念与设计框架第三节比特币的现状与前景第一节比特币的产生与发展8.1.1密码朋克与史前数字货币大卫·乔姆（DavidChaum）是第一个提出加密货币概念的密码学家。亚当·巴克（AdamBack）和他提出的哈希现金（Hashcash）技术是比特币产生的关键环节之一。密码学家戴维（WeiDai）是加密货币的先驱，他挖掘了哈希现金技术在其他领域应用的可能性，在1998年发布了第一种真正意义上的数字加密货币B-money的白皮书。计算机科学家尼克·萨博（NickSzabo）可能是比特币诞生过程中理论贡献最大的人之一，他在2005年之前设计了一个去中心化的加密货币机制BitGold，被认为是比特币的前身。计算机科学家哈尔·芬尼（HalFinney）是比特币的主要贡献者之一，他在哈希现金的基础上进行了改进，创新性地提出了“代币”（TokenMoney）的概念，实现了可重复使用的工作量证明机制。2024/6/25第一节比特币的产生与发展8.1.2比特币白皮书与创世区块比特币白皮书发布：中本聪在2008年10月31日通过密码朋克邮件列表发布了《比特币白皮书》，提出了一种全新的点对点电子现金系统。强调了比特币的五个主要特征：点对点网络、去中心化、匿名性、工作量证明机制和防止双重支付能力。比特币创世区块：创世区块是比特币区块链的第一个区块，诞生于2009年1月3日18时15分5秒（UTC时间），由中本聪发布，这标志着第一个比特币就此问世。2024/6/25第一节比特币的产生与发展8.1.3比特币发展史上的第一次第一次比特币转账：2009年1月12日，中本聪发送给哈尔·芬尼10比特币作为测试，完成了比特币历史上的第一次转账，并记录在高度为170的区块上。第一次与法币兑换：2009年秋，比特币的早期维护者马尔蒂（MarttiMalmi）通过在线支付系统Paypal出售了5050个比特币给“新自由标准”，是历史上第一笔以美元结算的比特币交易。第一次购买实物：2010年4月，拉斯洛用GPU挖矿，5月17日挖得1400比特币，5月22日用比特币购买两比萨，这是历史上第一次用比特币购买实物。第一次进入交易所：2010年7月，世界上第一家比特币交易所MT.Gox（俗称“门头沟”）在日本东京成立。2024/6/25第一节比特币的产生与发展8.1.3比特币发展史上的第一次第一次货币超发漏洞：比特币早期发现重大漏洞，创造1844.67亿比特币，中本聪及时软分叉修复。是比特币历史上第一次，也是目前唯一一次通货膨胀类的重大漏洞。第一次“减半”事件：按照比特币设计的发行机制，大约每四年发行量将减少一半。2012年11月28日，比特币发生了第一次“减半”。第一次期货交易：2017年12月10日，芝加哥期权交易所全球市场公司（CBOEGlobalMarketsInc.）推出比特币期货交易，其交易代码为“XBT”。2024/6/25第二节去中心理念与设计框架8.2.1去中心化理念中本聪对加密货币先驱的失败非常警觉，他在《比特币白皮书：一种点对点的电子现金系统》的摘要中指出“虽然数字签名部分解决了这个问题，但是如果仍然需要第三方的支持才能防止双重支付的话，那么这种系统也就失去了存在的价值”。中本聪认为，加密数字货币的成功必须要采用一种全新的解决方案，彻底摒弃中央账本等第三方中介，使得电子现金系统完全在点对点的环境下运行。基于分布式账本构建共识机制并在其基础上寻求“双重支付”等问题解决方案的设计理念，是让比特币从其他数字货币脱颖而出的关键所在。2024/6/25第二节比特币的设计框架（1）交易/Transactions2024/6/25

在交易中，比特币的所有者（所有者0）利用自己的私钥（privatekey）对前一次交易和下一位所有者（收款人，所有者1）的公钥（publickey）签署一个随机散列（hash）的数字签名，并附在交易信息的末尾，这样交易中包含的比特币就发送给了下一位所有者（所有者1）。当“所有者1”需要使用该比特币进行下一次交易时，他/她同样需要使用自己的私钥对前次交易和本次交易收款人（所有者2）的公钥进行签名。与此同时，所有者2可使用交易信息中包含的所有者1的公钥信息对所有者1的数字签名进行验签，以证实所有者1确系该笔比特币的所有者和支付信息的发送人。图8-2交易机制第二节比特币的设计框架（2）时间戳服务器/Timestampserver2024/6/25

“时间戳服务器”是解决“双重支付”的第一步，描绘了比特币账本的雏形。在一定的时间间隔下，时间戳服务器通过对该时间段内全部交易构成的数据区块（block）实施随机散列（hash）而打上时间戳，并将该随机散列在网络中进行广播（如图8-3所示）。在每一次“打包”时，都将前一个时间戳纳入其随机散列值中，每一个随后的时间戳都对之前的一个时间戳进行增强(reinforcing)，这些区块形成了一个链条，即区块链（Blockchain）。图8-3时间戳服务器第二节比特币的设计框架（3）工作量证明/Proof-of-Work2024/6/25

工作量证明机制要求分散化的时间戳服务器在生成区块时，必须要计算一个随机数（Nonce），并与区块头一起进行随机散列，使得随机散列值以N个0开头（N是控制计算难度的参数，N越大则计算难度越大）。正确的随机数只能通过反复尝试来找到，需要耗费大量的计算才能完成。而且一旦完成工作量并生成一个区块之后，后续产生的其他区块都将链接在该区块之后，由此形成的链条是大量工作量的累积。图8-4工作量证明机制第二节比特币的设计框架（4）网络/Network2024/6/25

比特币网络运行步骤如下：新的交易向全网进行广播；每一个节点都将收到的交易信息纳入一个区块中；每个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；当一个节点找到了一个工作量证明，它就向全网进行广播；当且仅当包含在该区块中的所有交易都是有效的且之前未存在过的，其他节点才认同该区块的有效性；其他节点表示他们接受该区块，而表示接受的方法，则是在跟随该区块的末尾，制造新的区块以延长该链条，而将被接受区块的随机散列值视为先于新区块的随机散列值。第二节比特币的设计框架（5）激励/Incentive2024/6/25网络节点在争夺记账权时付出的工作量必须获得一定的补偿，这就是维护分布式账本正常运作的激励机制。当一个网络节点完成了工作量证明，并将新区块成功写入区块链之后，就可以获得一定数量比特币的激励，该激励来自于新发行的比特币和交易费用。激励机制有以下特点：第一，在没有中央集权机构发行货币的情况下，提供了一种将电子货币分配到流通领域的方法；第二，当规定的全部电子货币（2100万枚）进入流通领域后，激励机制可以转换为完全依靠交易费，从而使比特币体系免于通货膨胀；第三，激励系统有助于鼓励节点保持诚实。第二节比特币的设计框架（6）回收硬盘空间/ReclaimingDiskSpace2024/6/25

比特币按照梅克尔树（Merkletree）的形态来存储数据。按照梅克尔树的原理，只需要根节点和路径即可验证交易的正确性。因此，如果最近的交易已经被纳入了足够多的区块之中，那么就可以丢弃该交易之前的数据，以回收硬盘空间。为了同时确保不损害区块的随机散列值，交易信息被随机散列时，被构建成梅克尔树的形态，使得只有根被纳入了区块的随机散列值，不必保存内部的随机散列值。通过将该树的分支拔除（stubbing）的方法，老区块就能被压缩。图8-5Merkle树第二节比特币的设计框架（7）简化的支付确认/SimplifiedPaymentVerification2024/6/25

在不运行完整网络节点的情况下，也能够对支付进行检验。非完整网络节点用户只需要保存最长链条的区块头，可以向网络发起询问来确认自己拥有最长的链条，也可以通过梅克尔树的分支校验某次交易。网络节点不可能亲自检验所有交易的有效性，但通过追溯交易链条，可以查询一笔交易是否已经被全网接受。图8-6简化的支付确认第二节比特币的设计框架（8）价值的组合与分割/SimplifiedPaymentVerification2024/6/25

为了使价值易于组合与分割，交易被设计为可以纳入多个输入和输出。如图所示，输入既可以是某次价值较大的前次交易构成的单一输入，也可以是由某几个价值较小的前次交易共同构成并行输入；输出最多只有两个：一个用于支付，另一个用于找零。图8-7价值的组合与分割第二节比特币的设计框架（9）隐私/Privacy2024/6/25

在点对点的电子现金系统下，为了解决“双重支付”问题必须将交易信息向全网广播，隐私保护主要依赖于非对称加密机制以及公钥匿名：一方面，非对称加密下，难以从公开的公钥信息解密出私钥；另一方面，公众得知的信息仅仅是有某个人将一定数量的货币发所给了某一个公钥地址，但是难以将该交易同特定的人联系在一起。作为额外的预防措施，使用者可以让每次交易都生成一个新的地址，以确保这些交易不被追溯到一个共同的所有者。图8-8隐私模型第二节比特币的设计框架（10）计算/Calculations2024/6/25

比特币网络的攻击者若要完成攻击，需要比其他诚实节点更快地制造替代性区块链，即掌握全网过半的算力（例如超过51%）。中本聪在白皮书中以二叉树随机漫步（BinomialRandomWalk)来描述诚实链条和攻击者链条之间的竞赛，将填补攻击者链条和诚实链条之间差距（z值）的可能性可以近似地看作赌徒破产问题（Gambler’sRuinproblem），通过演算发现：攻击者成功的概率对z值呈指数下降。因此，进行51%算力攻击需要花费巨大的成本，但是获益其实并不大；如果能掌握51%算力，进行攻击的收益可能远不如成为一个诚实节点进行挖矿的收益。第三节比特币的现状与前景8.3.1比特币的现状2024/6/25

（1）发行：2009年1月9日，中本聪因挖出比特币创世区块获得了50BTC的奖励，这是第一笔进入流通领域的比特币。截至2021年6月21日，累计挖出的比特币共计18740056BTC，已超过全部2100万发行总量的89%。由于比特币每次减半间隔为210000区块，按照“每区块产出时间为10分钟”的理想假设，在经历33次减半期后，每区块的挖矿产出将达到0.58聪，小于最小单位一聪；届时（大约在2140年），全部2100万BTC将进入流通领域。图8-9比特币累计发行规模与单日发行规模第三节比特币的现状与前景

8.3.1比特币的现状2024/6/25

（2）用户图8-10比特币钱包地址增长情况（按持币数量分）比特币地址前期的增加接近于指数形态，2018年之后也保持了较高的线性增速。从2009年第一个比特币地址产生到第10万个地址产生，共耗时一年零四个月的时间，第二个10万地址只花费了三个月时间，而在2021年里单日新增10万地址的情况已经十分常见。截至2021年6月23日，已发行的1874万余枚比特币归属于3802万余个钱包地址。第三节比特币的现状与前景8.3.1比特币的现状2024/6/25

（2）用户表8-1比特币持有集中度钱包余额（BTC）钱包地址持币(BTC)数量百分比累积数量百分比累积(0,0.001)1940560051.028242%100.00%39560.02%100.00%[0.001,0.01)968803525.475295%48.97%367960.20%99.98%[0.01,0.1)579137815.228792%23.50%1877061.01%99.78%[0.1,1)23570836.198098%8.27%7366273.98%98.77%[1,10)6463201.699539%2.07%16583288.96%94.79%[10,00)1256590.330428%0.37%401789021.70%85.83%[100,1000)128980.033916%0.04%393850421.27%64.13%[1000,10000)20800.005469%0.01%517001627.92%42.86%[10000,100000)800.000210%0.00%207662811.21%14.94%[100000,1000000)40.000011%0.00%6905833.73%3.73%彭博社2020年底的一篇报道显示，约2%的钱包地址控制着95%的比特币。根据CoinMarketCap于2021年6月23日披露的数据（如表8-1所示），存放超过1BTC的地址数量为646320个，占全部地址数的2.07%。这些地址共控制了1750万余BTC，超过已发行比特币总量的94%。相反，超过51%的钱包地址中存放的比特币不足0.001BTC，合计持有数量不足4000BTC，占发行量的比重仅为0.2%。这意味着比特币网络中财富集中度达到了非常高的水平。第三节比特币的现状与前景

8.3.1比特币的现状2024/6/25

（3）交易

比特币的第一次兑换交易发生在2009年10月12日，以2010年7月18日MT.Gox交易所的初始价格0.07美元为基数，比特币价格在2021年4月13日的以美元计价的收盘价达到最高点63445.6美元/BTC，累计涨幅高达90.63万倍（如图8-11所示）。这意味比特币的长期持有人收获了巨额财富，似乎“仅仅是购买和持有资产就可以获利”，这也是比特币生态系统中“HODL”理念形成的原因。图8-11比特币成交价格第三节比特币的现状与前景8.3.1

比特币的现状2024/6/25

（3）交易

根据COINMETRICS的数据，从中本聪向哈尔·芬尼转移第一笔比特币起的一年内，比特币的日平均交易笔数仅为0.6。这一数字在随后的十多年里增长了数十万倍，截至2021年6月23日，七日平均支付次数为655061.43次。从交易金额来看，2021年6月以BTC计价的日平均交易额为113.5万BTC，以美元计价的日平均交易额超过400亿美元。图8-12比特币成交额第三节比特币的现状与前景比特币的现状2024/6/25

（4）市值

比特币的总市值在2021年4月一度突破1.2万亿美元，随后快速回落；截至2021年6月21日，总市值约为5943亿美元，自由流通的比特币市值约为4627亿美元，自由流通比约为77.85%（如图8-14所示）。如果将比特币视作一家上市公司的话，它的市值规模曾一度超过脸书（Facebook），目前也位于全球前十之列。图8-14比特币的市值规模第三节比特币的现状与前景

8.3.1比特币的现状2024/6/25

（4）市值

与其他数字货币竞争者相比，比特币仍然具有很大的优势，从未有任何竞争者的市值规模超越过比特币。如图8-15所示，2021年6月23日全球规模排名前十的加密数字货币总市值约为10815亿美元，其中比特币总市值就达到6168亿美元，占比高达57%。紧随其后的是以太坊（ETH，占比21%）和泰达币（USDT，占比6%）。图8-15十大加密数字货币市值规模占比第三节比特币的现状与前景8.3.1

比特币的现状2024/6/25

（5）网络

根据Bitnodes提供的数据，截至2021年6月23日，全网共有9746个全节点，较过去两年的平均值10065有所下降。这近万个全节点广泛分布于全球上百个国家，其中已知拥有全节点数量最多的是美国和德国，分别有1765个和1669个全节点；中国亦有145个全节点，位列全球前十。图8-16拥有比特币全节点最多的十个国家第三节比特币的现状与前景

8.3.1比特币的现状2024/6/25

（5）网络

随着比特币价格的大幅上涨，投入到比特币挖矿中的算力也急剧增长。按照比特币工作量证明机制，挖矿的难度会动态调整。因此，无论全网算力如何增长，比特币区块仍然保持着10分钟左右一个区块的出块速度，这就要求挖矿难度与全网算力同步变化。目前挖矿难度大约在20T，这意味着目前主流的比特币矿机（50TH/s）持续工作一年大约能够产出0.11BTC。图8-17全网算力与挖矿难度第三节比特币的现状与前景8.3.1

比特币的现状2024/6/25

（6）监管

目前围绕比特币已经形成了一个十分庞大的产业链，不过出于资本管制、预防犯罪、反洗钱等诸多方面的考虑，并非所有国家都将比特币视为合法项目，或者在不同程度上有所限制。根据CoinDance的统计，目前全球257个国家和地区中有132个没有对比特币施加限制，有7个国家有所限制，7个国家明确将比特币视作非法项目。目前，中国亦属于限制国家之列。第三节比特币的现状与前景

8.3.2

比特币的前景2024/6/25

（1）通往货币之路道阻且长表8-2比特币历史上的几次大幅贬值（收盘价，USD/BTC）阶段高点阶段低点贬值幅度2010/11/060.4009823032010/12/090.199991694-50.12%2011/06/0829.029921332011/11/182.105066003-92.75%2013/04/09230.68299672013/07/0667.44762385-71.24%2013/12/041134.9322312015/01/14175.6376406-84.52%2017/12/0619640.513882018/12/153185.074044-83.78%2021/04/1363445.638312021/06/2131715.15986-50.01%

币值不稳定是阻碍比特币成为货币最主要的原因之一，币值暴跌对于比特币而言更是家常便饭。2011年6月8日以美元计价的比特币报收于29.0299美元，而在短短五个月之后的11月18日，1BTC的收盘价格仅为2.10507美元，下跌幅度达到惊人的92.75%。除此之外，在2013年12月4日至2015年1月14日、2017年12月6日至2018年12月15日，比特币的美元价格也曾下跌超过80%很显然，币值波动幅度如此之大的比特币难以作为商品交易中的价值尺度和交换媒介。第三节比特币的现状与前景

8.3.2

比特币的前景2024/6/25

（1）通往货币之路道阻且长

阻碍比特币成为支付工具的第二个障碍是支付费用。中本聪在设计比特币时特别强调，“与现有的支付方式相比，比特币更适用于较小额度的交易。小到超乎想象”，可见小额支付应当是比特币的一个关键用途。在2013年之前，使用比特币进行支付需要付出的交易费用的确只有几美分，甚至不足1美分，对于小额支付来说的确是非常友好的。但是，随着比特币美元价格的大幅上涨，比特币支付的费用也水涨船高。在2017年底和2021年4月，比特币单笔支付费用的中位数水平甚至超过了25美元。图8-18比特币支付的手续费第三节比特币的现状与前景

8.3.2

比特币的前景2024/6/25

（2）能源消耗与气候威胁

根据热力学中的兰道尔原理（Landauer’sPrinciple），任何一个不可逆的计算都会消耗一定的能源。比特币使用的哈希函数就是典型的不可逆运算，那么挖矿过程必然要伴随着能源的消耗。剑桥大学替代金融研究中心研究显示，截至2021年5月10日，全球比特币挖矿的年耗电量大约是149.37太瓦时(1太瓦时为10亿度电)，这一数字已经超过马来西亚、乌克兰、瑞典的耗电量，