比特币系统采用去中心化的信任机制，通过参与者间的交互涌现出信任特性。本文将从较高视角解析比特币运作流程，跟踪一笔交易从发起、传播到被记录至区块链的全过程，帮助读者理解分布式共识的核心机制。
比特币系统概述
比特币系统包含三个核心组成部分：
- 钱包：存储用户的加密密钥
- 交易：通过网络传播的价值转移指令
- 矿工：通过竞争性计算产生共识区块链的节点
区块链作为所有交易的权威账本，记录了整个网络的价值流转。我们将通过实际案例模拟用户间的交易过程，使用区块链浏览器可视化每个步骤。
区块链浏览器的作用
区块链浏览器是比特币网络的搜索引擎，允许用户查询地址、交易和区块的详细信息，并查看它们之间的关系。常用工具包括BlockCypher Explorer、blockchain.info等，它们都支持通过地址、交易哈希值等关键信息检索数据。
实际应用案例：购买咖啡
假设Alice刚刚通过现金交换获得了0.10 BTC，现在她要在Bob咖啡店使用比特币购买一杯咖啡。
支付流程详解
Bob的销售系统将1.50美元按实时汇率转换为0.015 BTC，并生成包含支付请求的二维码。这个二维码编码了以下信息：
- 收款地址：1GdK9UzpHBzqzX2A9JFP3Di4weBwqgmoQA
- 支付金额：0.015 BTC
- 商家标识：Bob's Cafe
- 交易详情：Purchase at Bob's Cafe
Alice使用手机钱包扫描二维码，确认支付信息后点击发送。几秒钟内，Bob的系统就收到了交易通知，整个过程完成速度与信用卡授权相当。
注意：比特币网络支持极小面额交易，最小单位可达1 satoshi（即0.00000001 BTC）
比特币交易机制
交易本质上是告知网络：比特币价值的所有者已授权将该价值转移给新所有者。新所有者可通过创建新交易来继续流转这些资金。
交易输入与输出
每笔交易包含一个或多个“输入”（类似借方记录）和一个或多个“输出”（类似贷方记录）。输入输出的总额差即为交易费用，作为矿工打包交易的奖励。
交易还包含每个输入的数字签名，提供所有权证明，任何人都可独立验证。在比特币术语中，“花费”就是签署一笔将前交易价值转移给新地址持有者的交易。
交易链与找零机制
Alice向Bob支付时，使用的是之前从Joe那里获得交易输出作为输入。她的新交易引用先前交易作为输入，并创建新输出来支付咖啡费用和接收找零。
找零机制类似现金支付：如果商品价值5比特币而你只有20比特币的输入，你会创建一个5比特币的输出给商家，一个15比特币的输出作为找零（需扣除交易费用）。为保护隐私，找零地址通常与输入地址不同。
常见交易类型
比特币网络中存在三种典型交易形式：
- 简单支付：单输入双输出交易，包含主支付和找零
- 资金汇总：多输入单输出交易，类似将零钱换整钞
- 资金分配：单输入多输出交易，常用于企业发放工资
交易创建过程
钱包应用会自动处理交易创建的技术细节，用户只需指定金额和接收地址即可。
输入选择策略
钱包首先寻找足够支付金额的未花费输出。全节点钱包包含区块链中所有未花费交易的副本，而轻量级钱包则只跟踪用户自己的未花费输出。
通过API查询，钱包可以获取特定地址的所有未花费输出信息，包括交易哈希、输出索引和数值等关键数据。
输出构建逻辑
交易输出通过脚本创建“留置权”，只有提供相应签名才能解锁。Alice的交易输出包含要求Bob私钥签名的脚本，确保只有Bob能使用这些资金。
交易还包含找零输出，将剩余资金返回给Alice。输入输出之间的差额即作为矿工费，激励矿工处理交易。
交易传播与确认
交易创建后需传播到比特币网络并纳入区块链才能获得确认。
网络传播机制
比特币采用点对点网络结构，任何节点收到新交易后都会立即转发给连接节点，通过泛洪算法快速扩散至全网。交易通常在几秒内就能到达大多数节点。
商户视角下，当钱包识别到包含自己公钥输出的交易时，即可初步确认收款。对于小额交易（如一杯咖啡），无需等待区块确认即可视为有效。
提示：比特币交易不一定要等待10分钟区块生成才能“确认”。对于小额支付，商家可接受未经确认的有效交易，其风险不高于无签名的信用卡支付。
比特币挖矿原理
挖矿是比特币信任体系的核心，通过计算工作证明来确保网络安全和发行新币。
挖矿的双重作用
- 验证交易：矿工节点通过遵守共识规则验证所有交易，拒绝无效或格式错误的交易
- 发行货币：每个新区块产生固定数量的新比特币，按照预定时间表逐渐减少
工作量证明机制
矿工通过解决密码学难题（类似数独游戏）来竞争记账权。解决方案需要大量计算但易于验证，难度随网络算力自动调整。
专业矿工使用ASIC（专用集成电路）矿机进行高速哈希运算，通过矿池共享算力和奖励。成功的矿工将获得新区块奖励（目前为6.25 BTC）和包含交易的手续费。
区块打包与区块链确认
新交易不断流入网络节点，被加入未验证交易池。矿工构建新区块时从中选择交易，尝试通过PoW算法证明区块有效性。
区块生成流程
矿工收到前一个区块后立即开始创建新区块，填入交易数据和前区块指纹，并计算PoW解决方案。首先找到有效解的矿工获得奖励，并将新区块添加到全局区块链中。
Alice的交易被纳入#277316区块，包含419笔交易。约19分钟后，#277317区块建立在#277316之上，为前区块中的所有交易增加确认数。按照惯例，6个确认以上的交易被视为不可撤销，因为需要巨大计算量才能重组区块链。
比特币使用闭环
一旦交易被嵌入区块链，就成为分布式账本的一部分，对所有比特币应用可见。每个客户端都可独立验证交易的有效性和可用性。
Bob现在可以花费从Alice那里收到的比特币，例如向网页设计师Gopesh支付服务费用。这样继续扩展交易链，实现价值的持续流转。
常见问题
比特币交易需要多长时间确认？
通常需要10分钟左右被纳入区块，但小额交易可立即接受。获得6个区块确认后被认为不可逆转，这大约需要1小时。
什么是交易费用？如何确定？
交易费用是输入输出之间的差额，由矿工获得作为打包交易的激励。费用高低影响交易处理优先级，钱包通常会自动计算合理费用。
比特币找零地址是什么？
找零地址是接收剩余资金的新地址，通常由钱包自动生成以保护隐私。它与原始地址不同，但同样由用户控制。
如何验证交易是否成功？
可通过区块链浏览器查询交易哈希或接收地址，查看交易确认数和区块高度。轻钱包使用简单支付验证(SPV)技术确认交易状态。
矿工如何选择打包哪些交易？
矿工优先选择手续费高的交易，同时考虑交易大小和数据优先级。用户可通过提高手续费加速交易确认。
比特币的最小单位是什么？
最小单位是satoshi（聪），1 BTC = 100,000,000 satoshi。网络支持极小额支付，甚至可处理几分之一聪的交易。