加密货币工作原理的初学者指南

无论你是加密货币热潮的领头羊还是尾声，有一件事是肯定的：这些数字资产正在冲击主流，而且似乎不会很快消失。值得注意的是，萨尔瓦多最近采用比特币作为法定货币，而纽约新任市长埃里克·亚当斯 (Eric Adams) 打算将纽约市变成加密货币的热点。

根据皮尤研究中心最近的一项调查，虽然只有 16% 的美国人表示他们投资、交易或使用过加密货币，但近 90% 的人听说过加密货币。

加密货币和去中心化金融（人们可以相互进行金融交易，而不受中间人或银行等中央机构的监管）的倡导者普遍认为，这些平台是透明的，同时也是匿名的——这两者都是好事。

这一愿景的关键在于一种名为区块链的数字技术，它是所有加密货币的基础。区块链就像一个虚拟的记录大厅，或者说是一个公共账本，记录着每一笔交易，详细记录金额以及发送者和接收者的钱包地址。

然而，批评者和监管机构担心加密货币可能带来的危害，比如人们利用它们进行诈骗、洗钱或资助非法活动（更不用说其中一些加密货币的巨大碳足迹——《纽约时报》报道称，比特币消耗的电量比某些国家还多）。专家们对加密货币网络抵御攻击的强度表示担忧，以及某些系统的设计是否随着时间的推移而扭曲，变得中心化，或者本质上让富人变得更富有。

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对于那些刚刚涉足加密领域的人来说，这里有关于这些系统背后的计算机科学如何运作的基本解释。

加密基础知识讲解

从前端开始，这就是您发送和接收加密货币时发生的情况。请记住，所有加密货币都只是基于计算机程序，包括比特币，并且这些“硬币”实际上不是钱，而是将价值从一个用户转移到另一个用户的计算机代码片段。要成为此过程的一部分，首先您必须创建一个数字钱包。比特币和以太坊都对哪种钱包最适合其加密货币提出了建议，Coinbase 和 Gemini 等专业交易所也提供钱包。

每当您创建新钱包时，运行该加密货币的算法都会生成与之关联的一对私钥和公钥。您可以将公钥视为地址或银行账号，而私钥则证明您的所有权。公钥是一串长字符，用于标识加密货币的去向。通常，地址仅接受与其关联的加密货币类型（尽管所谓的跨链桥和交易所可以帮助连接不同的加密货币）。

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卡内基梅隆大学计算机科学、工程和公共政策副教授 Nicolas Christin 说：“你并不拥有比特币，你有证据表明过去有人向你发送了这些比特币。”

然后，您可以利用钱包中未使用的部分价值，并将其发送给其他人的公钥。当您签名以验证您想要发送比特币时，您会生成一小段附加在交易中的个性化代码，系统会创建一个数学谜题来锁定该价值并加密代码。当收件人准备花钱时，他们会将相应的代码放入交易中。网络中的每个人都可以验证这两段代码是否合适（通过称为交易确认的过程，也称为挖掘 - 稍后会详细介绍）。整个操作称为签名验证。

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“如果没有正确的信息，人们不可能找到缺失的部分，但任何人都可以非常轻松地验证两部分是否匹配，”克里斯汀解释道。“除了签名验证之外，比特币几乎没有其他计算能力。中本聪（比特币创造者的化名）最初的愿景是拥有可编程货币。问题是比特币很快就变得非常流行，开发人员决定冻结这些功能。”

然而，上周发布的新升级可能为支持签名验证以外的扩展功能提供可能性。

那么其他加密货币与比特币有何不同？

许多现代加密货币都源自比特币模型。例如，莱特币在很多方面与比特币相似，但谜题部分略有不同。他们用一种名为 Scrypt 的函数取代了比特币中使用的挖掘算法（称为 SHA-256），他们声称该函数运行所需的能量更少。另一方面，比特币现金的创造者从一个致力于比特币的团队中分离出来，创造了一种每秒可以处理更多交易的类似比特币的加密货币。

然而，以太坊采取了不同的方法。它的区块链有一个名为“循环”的附加功能，允许它重复运行一段代码，工程师可以在其基础上编程。以太坊使用一种称为“gas”的机制，向发起交易的人收取运行编程指令的费用。程序在运行时会消耗“gas”，当 gas 用完时，程序要么完成，要么终止。

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开发人员可以在以太坊上构建加密货币（例如稳定币 DAI）、创建抵押贷款或独特的非同质化代币，因为它们都是代码片段（NFT 是指向区块链内的数字资产或区块链外对象的链接）。“所有这些都是以太坊交易扩展的代码片段，”Christin 说。

以太坊还因将智能合约集成到区块链上而备受赞誉。以太坊的开发人员将其描述为“在满足某些条件时执行某些操作或计算”的代码脚本，将代码的逻辑与“自动售货机”的工作方式进行了比较。例如，如果数字艺术 NFT 存在于智能合约中，艺术家可以创建一个版税计划，每次在区块链上转移艺术品时都会产生费用。

或者，再举一个例子，想象一下你走进一家银行，要求当天借款 1000 万美元，但又不告诉任何人你的名字。康奈尔理工学院计算机科学教授 Ari Juels 说：“有人会伸手去按桌子底下的红色按钮。但你实际上可以在区块链上做这样的事情。”

你可以使用智能合约借钱，然后用它做任何你想做的事情。通常，它用于套利，即你买卖代币以获利。然后，你偿还贷款，所有这些都包含在一笔交易中。“区块链的工作方式是，如果你无法偿还贷款，整个交易就会被中止，”朱尔斯说，“这意味着你从一开始就没有借过钱。”

工作量证明、权益证明和其他形式的“共识”

现在，让我们进一步揭开帷幕：为了保持任何加密货币系统的运行，必须有一种方式将新货币释放到网络中，同时还有一种方法来维护公共账本，以追踪所有新货币的来源和去向。

但由于这些加密货币都是点对点的，因此没有一个实体像传统银行那样做所有这些事情。相反，运行系统的责任落在了整个参与者网络身上，这就是为什么他们必须就交易是否有效达成某种共识。区块链上的每笔交易都需要验证。一批交易组成一个区块，几个区块组成一条链。

Juels 表示：“区块链为你提供了一种不同的信任模型。规则定义得非常明确，交易可以以严格的程序化方式执行。”

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不同的加密货币使用各种方法来完成这两项标准任务。工作量证明是大多数加密货币（包括比特币和以太坊）用于完成此任务的过程。虽然所有用户最终都会检查交易是否有效，但只能选出一名用户来领导验证，将交易添加到区块链并获得奖励。这些奖励是新货币进入系统的方式。此操作也称为挖矿。但首先，被称为矿工的用户必须相互竞争以解决加密难题，其难度与试图解决难题的人数成正比。难题是由算法创建的。解决它的唯一方法是尝试许多不同的数字，而强大的计算机或处理器可以更快地尝试更多数字，因此更有可能得到正确答案。

对于比特币来说，系统中的比特币数量是有限的（2100 万），而且挖矿的回报会随着时间的推移而减少，尽管矿工仍然受到激励，因为他们可以获得部分交易作为费用。“比特币的理想目标是每个 CPU 一票。这最终被颠覆了，”Juels 说。“人们正在使用专门的挖矿硬件来参与系统。”随着比特币挖矿的升温，人们开发和消耗了专用硬件，消耗了大量电力并产生了大量浪费。

朱尔斯指出：“工作量证明仍然按照最初的原则运作，即需要投入资源才能参与系统挖掘区块。”

与此同时，在权益证明系统中，你需要付费才能参与，并且必须投入代币作为资源投资才能参与，例如存入保证金，一旦你添加到区块链的交易被网络批准，你就可以取回这笔保证金。系统会随机选择当时在线的质押者，他们可以验证交易并获得奖励。因为它不需要解决难题，所以理论上它应该消耗更少的能量。

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“在比特币中，你对系统的参与与你进行的计算量成正比，”朱尔斯说。“在权益证明系统中，它与你在系统中持有的加密货币数量成正比。”

他补充道：“通常，工作量证明和权益证明系统的工作方式是，创建下一个区块的权利是通过一种彩票方式随机确定的，中奖的几率与你的资源成正比。”

虽然以太坊表示正在向权益证明系统过渡，但这一转变尚未发生。使用权益证明的现有加密货币项目都有自己的变体。例如，Cardano 使用一种名为“Ouroboros”的权益证明系统，该系统结合了权益委托和权益池。Solana 是一种区块链，您还可以在其上构建智能合约程序和其他去中心化应用程序，它将权益证明与另一种称为历史证明的共识算法相结合，以在交易中加入时间戳。

尽管权益证明速度更快、更节能，但许多专家仍对其稳定性和准入门槛表示担忧。“在比特币中，原则上，你可以用笔记本电脑开始挖矿。虽然你不会做得很好，但你可以加入系统而无需任何资源投资，”Juels 说。“在这些权益证明系统中，你需要购买一些代币才能参与，或者在协议开始时就分配代币。有些人反对一开始就需要获得代币才能参与，但这是必要的。”

另外，一个名为 XRP 分类账的加密货币项目使用一种与权益证明或工作量证明不同的共识协议，这种协议几乎是民主的 - 但验证者不会收到任何奖励。

那么存储证明呢？

还有另一个概念需要了解。存储证明（也称为空间证明）是指您在网络中投入一定数量的存储空间。“最初的想法是数字保存——我们希望记录所有内容，这样至少我们可以将磁盘空间用于良好的用途。事实证明，它的需求没有我们想象的那么大，”克里斯汀说。“数字保存是必要的，但它的扩展速度不如货币快。”朱尔斯提出，这些系统可能有助于存储来自 NFT 的数据。一个测试这个概念的项目是 Filecoin。

最终，尽管在 PayPal、万事达卡和 Robinhood 等大型金融平台上取得了进展，但加密货币的未来仍不确定——即将出台的联邦法规可能会极大地重塑社区和生态系统。比特币等货币的价值仍然不稳定，代表着高风险投资。无论加密货币的下一章将走向何方，无可争辩的是，这波新技术的流行已经迫使大型金融机构改变其思维方式，即人们希望如何与金钱互动，以及如何使用金钱相互交流。