探索比特币的区块与交易结构

比特币网络的核心在于其精巧设计的区块与交易结构。理解这些基础元素，是掌握比特币工作原理的关键。本文将深入解析比特币区块的构成、交易的细节、最小单位以及至关重要的UTXO模型。

比特币区块的结构剖析

一个比特币区块是记录一段时间内所有交易的数据包，其结构严谨，包含以下核心信息。

区块头：元数据集合

区块头包含了验证和链接区块所需的所有关键元数据：

• 版本号 (Version)：指明该区块所遵循的比特币协议规则版本。
• 前一个区块的哈希值 (Previous Block Hash)：指向前一个区块的加密指针，由此将区块按时间顺序连接成链，形成“区块链”。
• 默克尔根 (Merkle Root)：由该区块中所有交易通过哈希计算得出的唯一根值。它像是一个数字指纹，用于高效验证区块内任何交易是否被篡改。
• 时间戳 (Timestamp)：区块大致的创建时间。
• 难度目标 (Difficulty Target / Bits)：一个紧凑格式的数值，表示当前网络挖矿的计算难度要求。
• 随机数 (Nonce)：矿工在挖矿过程中不断更改的数值，用于寻找满足难度目标的区块哈希。

区块体：交易记录

区块头之后是实际的交易数据：

• 交易计数器 (Transaction Counter)：表明该区块包含的交易笔数。
• 交易列表 (Transactions)：该区块确认的所有交易记录的集合。

深入理解难度目标（Bits）

“Bits”字段是理解比特币工作量证明（PoW）机制的关键。它以一种紧凑的科学记数法形式，编码了当前网络要求矿工必须达到的巨大难度目标值。

• 指数部分 (Exponent)：Bits的前1字节，决定了目标值的数量级。
• 系数部分 (Coefficient)：Bits的后3字节，是目标值的有效数字。

矿工必须找到一个区块哈希值，该值必须小于或等于这个由Bits计算出的目标值，区块才被视为有效。网络约每2016个区块（约两周）会根据过去区块的平均出块时间动态调整难度目标，以确保平均出块时间稳定在10分钟左右。

每个成功生成新区块的矿工都会获得固定的区块奖励（最初为50 BTC，定期减半）以及该区块内所有交易的手续费。👉 查看实时网络难度与区块数据

比特币交易的精细构成

每一笔比特币交易都是一次价值转移的指令，其结构确保了安全性与不可篡改性。

交易的基本框架

一笔典型的交易包含以下核心字段：

• 交易ID (Txid)：该笔交易的唯一哈希标识符。
• 版本号 (Version)：定义交易遵循的规则。
• 输入 (Inputs)：指明要花费的资金来源（即引用之前的UTXO）。
• 输出 (Outputs)：创建新的资金接收方和条件（即创建新的UTXO）。
• 锁定时间 (Locktime)：设定该交易可以被加入到区块链的最早时间或区块高度。
• 手续费 (Fee)：输入总值减去输出总值的差额，奖励给打包该交易的矿工。

输入与输出的角色

• 交易输入 (Input)：通过引用前一笔交易的输出（UTXO）来证明你有权花费这些比特币。它包含解锁脚本（签名），以满足前一个输出设置的消费条件。
• 交易输出 (Output)：指定接收的比特币金额和一个锁定脚本（又称脚本公钥, ScriptPubKey）。这个脚本设置了未来要花费这笔资金必须满足的条件（通常是提供对应地址的私钥签名）。

比特币的最小单位：聪

比特币的可分割性极强，其最小单位是“聪”。

• 1 聪 = 0.00000001 BTC
  这个微小单位确保了比特币既能处理大额价值存储，也能适用于日常小额支付。

UTXO模型：比特币的账本核心

比特币并非采用传统的账户余额模型，而是基于未花费交易输出（UTXO） 模型。你的比特币“余额”实际上是你控制的所有UTXO的总和。

什么是UTXO？

UTXO是区块链上未被用作交易输入的交易输出。可以将其理解为一张张面额不等的现金钞票，散布在网络中。每一张“钞票”都明确规定了面值和使用条件。

UTXO的工作规则

1. 完整消费：UTXO不能被部分花费。就像你不能撕下半张钞票付款一样，你必须花费整个UTXO。如果需要支付部分金额，你会收到“找零”（一个新的UTXO返回给自己）。
2. 创建与销毁：交易消耗旧的UTXO（输入），并创建新的UTXO（输出）。
3. 防止双花：每个UTXO只能被花费一次。全网节点共同维护一个UTXO集合，任何试图重复花费同一UTXO的行为都会被拒绝。
4. 隐私增强：UTXO模型不直接显示账户总余额，交易可以合并和分割多个UTXO，这在某种程度上增加了隐私性。

UTXO生命周期示例

假设Alice拥有一个来自之前交易的、价值1 BTC的UTXO。她想支付0.3 BTC给Bob。

1. Alice创建一笔新交易。
2. 输入：她引用那个价值1 BTC的UTXO作为输入。

3. 输出：

   • 创建一个输出（新UTXO），价值0.3 BTC，锁定到Bob的地址。
   • 创建另一个输出（找零UTXO），价值0.7 BTC（扣除手续费前），锁定到Alice自己的一个新地址。
4. 交易经网络确认后，原来的1 BTC UTXO被标记为“已花费”（销毁），两个新的UTXO（0.3 BTC 和 0.7 BTC）被创建。

通过这种方式，价值在参与者之间安全、无误地流转。👉 获取更多关于链上交易的进阶知识

常见问题

Q1: 区块大小限制是多少？交易越多区块不是越满吗？
最初的比特币协议将区块大小限制为1MB。随着技术发展（如隔离见证SegWit的引入），有效区块容量得以提升，但核心思想仍是通过限制区块资源来确保网络去中心化和安全。

Q2: 交易手续费是如何确定的？
手续费由市场供需决定。网络拥堵时，用户愿意支付更高手续费以激励矿工优先打包自己的交易。手续费 = 输入总额 - 输出总额。

Q3: UTXO模型对比账户模型有什么优势？
UTXO模型更易于并行验证交易，安全性高，且天然适合离线构建交易。账户模型（如以太坊）则更直观，易于实现复杂智能合约，两者各有优劣。

Q4: 什么是“确认”？为什么需要多个确认？
当一个交易被打包进一个区块时，它获得了1个确认。后续每增加一个区块，确认数就+1。更多的确认意味着该交易所在的链成为主链的可能性呈指数级增长，从而极大降低了被重组和撤销的风险。

Q5: 比特币地址和公钥是什么关系？
比特币地址是公钥经过一系列哈希（SHA-256, RIPEMD-160）和编码（Base58Check）后生成的字符串，主要用于接收资金。它由公钥衍生而来，但不同于公钥。

Q6: 如果我丢失了私钥，我的UTXO会怎样？
对应那些UTXO的比特币将永远无法被任何人花费，它们会永久地沉睡在区块链上，相当于从流通供应中消失。这凸显了私钥安全保管的极端重要性。