比特幣系統(tǒng)綜述

劉海房，吳雨芯

（廣東白云學院大數(shù)據(jù)與計算機學院，廣州510000）

0 引言

2008 年10 月30 日，一個化名中本聰?shù)娜嗽谝粋€隱秘的密碼學論壇上發(fā)布了一篇題目為《比特幣：一種點對點電子現(xiàn)金系統(tǒng)》的報告[1]，報告闡述了他對電子貨幣的構(gòu)想。2009 年1 月3 日，中本聰在位于芬蘭赫爾辛基一個小型服務器上挖出了第一批比特幣50 個，從此比特幣正式誕生。2010 年5 月22 日，佛羅里達程序員Laszlo Hanyecz 用1 萬比特幣向比特幣論壇用戶購買了兩個披薩，比特幣首次實現(xiàn)了由名義貨幣向?qū)嵨镓泿诺霓D(zhuǎn)變[2]。

比特幣是一個點對點的電子現(xiàn)金系統(tǒng)，任何人可以隨時加入比特幣系統(tǒng)，成為比特幣網(wǎng)絡中的一個節(jié)點。比特幣系統(tǒng)中可以通過匿名地址互相轉(zhuǎn)賬交易，某個時間段產(chǎn)生的交易會被整理成一個區(qū)塊，將新生成的區(qū)塊鏈接到上一個區(qū)塊后面，從而形成了區(qū)塊鏈，區(qū)塊鏈的概念正是由此而來。比特幣系統(tǒng)里的區(qū)塊鏈也稱賬本，賬本結(jié)構(gòu)如圖1 所示。比特幣賬本記錄了比特幣自誕生以來所有的交易記錄，分布在網(wǎng)絡中各個節(jié)點上。

圖1 比特幣賬本結(jié)構(gòu)

根據(jù)BLOCKCHAIN.COM[3]網(wǎng)站上顯示的數(shù)據(jù)，截止 2020 年 5 月 5 日 12 點 20 分，比特幣系統(tǒng)共有628995 個區(qū)塊，已經(jīng)發(fā)行1836.24375 萬枚比特幣，單價8920.2 美元，總價值約為1637.97 億美元。

1 比特幣系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

比特幣系統(tǒng)大致可劃分為五個層次，分別是數(shù)據(jù)層、網(wǎng)絡層、共識層、合約層和應用層，如圖2 所示。數(shù)據(jù)層采用鏈式數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對區(qū)塊、交易數(shù)據(jù)進行組織管理，采用文件和LevelDB 對數(shù)據(jù)進行存儲；網(wǎng)絡層采用P2P 協(xié)議完成節(jié)點間交易、區(qū)塊數(shù)據(jù)的傳輸；共識層采用PoW 算法和獎勵機制，支持拜占庭容錯，解決分布式系統(tǒng)一致性問題；合約層是一段比特幣腳本代碼，是智能合約的雛形，通過腳本實現(xiàn)對交易的控制；應用層提供用戶可編程接口，實現(xiàn)了比特幣交易[4]。

圖2 比特幣系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

2 數(shù)據(jù)層

2.1 數(shù)據(jù)存儲

比特幣系統(tǒng)主要采用文件存儲，同時采用LevelDB[5]數(shù)據(jù)庫存儲索引數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)檢索效率。比特幣核心[6]（Bitcoin Core）是一個完整的比特幣客戶端，它組成了整個比特幣網(wǎng)絡的支架，可直接從官網(wǎng)[7]下載安裝或通過源碼編譯安裝[8]，安裝完在本地可查看到比特幣的存儲目錄和文件，如表1 所示[9]。

表1 Bitcoin Core 目錄及文件說明

2.2 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

比特幣系統(tǒng)采用鏈式結(jié)構(gòu)對區(qū)塊數(shù)據(jù)進行組織管理，將一個個區(qū)塊鏈接起來。比特幣區(qū)塊數(shù)據(jù)大小不超過1M，包括區(qū)塊頭和區(qū)塊體兩部分，區(qū)塊體保存交易信息，區(qū)塊頭保存區(qū)塊基本信息，固定80 個字節(jié)，包括 版本（Version）、時 間 戳（Timestamp）、隨 機 數(shù)（Nonce）、難度目標（Bits）、前一區(qū)塊哈希值（PrevBlock?Hash）、默克爾根（MerkleRoot），區(qū)塊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖 3 所示，區(qū)塊頭各個字段含義及占用字節(jié)數(shù)如表2 所示。區(qū)塊鏈系統(tǒng)要求每個區(qū)塊必須加蓋時間戳，由于比特幣系統(tǒng)中沒有中心節(jié)點，沒有統(tǒng)一的標準時間，每個節(jié)點時間戳可能不一樣，比特幣系統(tǒng)規(guī)定最新區(qū)塊時間戳要大于前面11 個區(qū)塊的平均時間且不超過當前網(wǎng)絡時間兩小時，所以有可能存在后一個區(qū)塊時間戳比前一個區(qū)塊時間戳小的情況[10]。隨機數(shù)占32 位，取值范圍是[0,232），隨機數(shù)和難度目標是共識層挖礦的重要參數(shù)。每個區(qū)塊保存了前一區(qū)塊頭哈希值，從而將當前區(qū)塊鏈接到比特幣系統(tǒng)的區(qū)塊鏈中。比特幣系統(tǒng)使用了最簡單的二叉Merkle 樹[11]，一個區(qū)塊中第一筆交易是挖礦所得的Coinbase 交易，對剩下的交易根據(jù)手續(xù)費由高到低進行排序，計算出每筆交易的哈希值作為Merkle 樹的葉子結(jié)點，兩個葉子結(jié)點的值連在一起后再進行哈希得到父結(jié)點的值，再依次將兩個父結(jié)點的值連在一起進行哈希，如此反復執(zhí)行兩兩哈希，直到生成根哈希值，即默克爾根[12]。

圖3 比特幣區(qū)塊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

表2 區(qū)塊頭字段說明

3 網(wǎng)絡層

比特幣網(wǎng)絡層基于P2P 協(xié)議設計，基于TCP 協(xié)議實現(xiàn)，網(wǎng)絡中沒有中心節(jié)點，任意兩個節(jié)點都是對等的，每個節(jié)點存儲了相同的數(shù)據(jù)具有相同的功能。P2P網(wǎng)絡具有高容錯、耐攻擊等優(yōu)點，節(jié)點可自由加入或者退出網(wǎng)絡，部分節(jié)點受到攻擊或者宕機時不會影響整個比特幣網(wǎng)絡。所以比特幣網(wǎng)絡簡單，魯棒性強，但并不高效[13]。

在比特幣網(wǎng)絡中，任意兩個節(jié)點之間可直接進行數(shù)據(jù)傳輸，每個節(jié)點時刻監(jiān)聽網(wǎng)絡中廣播的數(shù)據(jù)，當接收到鄰居節(jié)點發(fā)來的新區(qū)塊時，首先驗證收到的區(qū)塊是否有效，無效則直接丟棄，有效則鏈接到本地區(qū)塊鏈末尾，同時轉(zhuǎn)發(fā)該區(qū)塊。當接收到鄰居節(jié)點發(fā)來的新交易時，首先驗證收到的交易是否有效，無效則直接丟棄，有效交易加入到待確認交易集合，同時轉(zhuǎn)發(fā)該交易。在該節(jié)點獲得記賬權(quán)時，即獲得創(chuàng)建區(qū)塊的權(quán)利，將待確認交易打包到新創(chuàng)建的區(qū)塊中，廣播發(fā)布新區(qū)塊[14]。

4 共識層

4.1 比特幣共識機制和挖礦

在比特幣網(wǎng)絡中，時時刻刻都可能發(fā)生著交易，每個節(jié)點都是平等的，都可以收到比特幣系統(tǒng)中發(fā)生的交易信息，所以需要一套共識機制來決定由哪個節(jié)點記賬。比特幣網(wǎng)絡中采用的共識機制是PoW（Proof of Work），即要求完成一定計算工作量并提供證明的節(jié)點才可以獲得記賬權(quán)，生成并發(fā)布區(qū)塊。每個節(jié)點利用自身計算資源不斷進行哈希運算以競爭記賬權(quán)的過程稱為挖礦，參與挖礦的人稱為礦工。第一個被挖出來的區(qū)塊稱為創(chuàng)世區(qū)塊，從任意一個區(qū)塊開始溯源，最終都能追溯到創(chuàng)世區(qū)塊。創(chuàng)世區(qū)塊是由中本聰在2019年1 月3 日挖出，中本聰在比特幣創(chuàng)世塊的Coinbase交易中引用了一句話“The Times 03/Jan/2009 Chancel?lor on brink of second bailout for bank”，是當天泰晤士報的頭版文章標題。中本聰?shù)囊茫f明了創(chuàng)世區(qū)塊產(chǎn)生的時間，也嘲諷了舊銀行系統(tǒng)面對金融危機時脆弱的表現(xiàn)[15]。挖礦過程中需要不斷調(diào)整隨機數(shù)進行哈希運算，直到計算出來的值剛好小于等于目標哈希值（target），具體挖礦過程如下：

步驟一接收保存所有未確認的有效交易，并額外新建一個Coinbase 交易，作為挖礦后的區(qū)塊獎勵。將這些交易經(jīng)過兩兩哈希運算得到區(qū)塊頭的默克爾根字段。

步驟二將區(qū)塊頭中的隨機數(shù)設置為0，并將六個字段按照版本號、前一區(qū)塊哈希值、默克爾根、時間戳、難度目標、隨機數(shù)的順序依次連接在一起，進行兩次SHA-256[16]哈希運算，將計算結(jié)果轉(zhuǎn)碼為小端排序的32 字節(jié)數(shù)值。其中時間戳、默克爾根、隨機數(shù)是可變的，版本號、前一區(qū)塊哈希值、難度目標在挖礦過程中保持不變。

步驟三將步驟二得出的數(shù)值和難度目標值進行比較，如果小于等于目標哈希值，則挖礦成功，獲得記賬權(quán)，將該區(qū)塊加入本地區(qū)塊鏈并全網(wǎng)廣播。如果大于目標哈希值，則隨機數(shù)加1，根據(jù)當前接收到的有效交易重新計算默克爾根，重復執(zhí)行步驟二，繼續(xù)挖礦。

步驟四全網(wǎng)節(jié)點同時參與挖礦，挖礦過程中，當接收到新區(qū)塊時，驗證新區(qū)塊是否有效，若有效則加入本地區(qū)塊鏈，并在新區(qū)塊的基礎上再挖礦。

其中目標哈希值是根據(jù)難度目標（Bits）計算出來的，計算公式如下：

target 是目標哈希值，coefficient 是難度系數(shù)，是難度目標Bits 中的后3 個字節(jié)，exponent 是指數(shù)，是難度目標Bits 的第1 個字節(jié)，決定了目標哈希值中實際有效的字節(jié)數(shù)。SHA-256 共有2256個哈希輸出值，所以每個哈希值出現(xiàn)的概率是1/2256，所以進行一次哈希運算，值落在0 至target 之間的概率是target/2256，即進行一次挖礦，挖礦成功的概率是target/2256。

4.2 挖礦難度

挖礦難度是對挖礦困難程度的度量，值越大表示挖礦越難，挖礦難度具體計算公式如下：

difficulty 是挖礦難度，difficulty_1_target 表示比特幣網(wǎng)絡最初的目標哈希值，長度為256 位，前32 位為0，后面全部為1，值為0x00000000FFFFFFFFFFFFFFF FFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFF，接近2224，current_target 是當前塊的目標哈希值。由此可以看出，Bits 值越小，目標哈希值也越小，挖礦難度越大，當current_target 值等于其最小值1 時，挖礦難度達到最大值 difficulty_1_target，當 current_target 等于difficulty_1_target 時，挖礦難度達到最小值1[13]。

算力是計算能力的簡稱，做一次哈希運算的算力是1，算力單位及相互之間關系為：1EH/s=103PH/s=106TH/s=109GH/s=1012MH/s=1015KH/s=1018H/s，全 網(wǎng) 算力是比特幣網(wǎng)絡中參與競爭挖礦的所有機器算力總和，根據(jù) BTC.COM[17]顯示，當前（2020 年 5 月 5 日）比特幣全網(wǎng)算力為120.17EH/s，挖礦難度16.10 T。比特幣網(wǎng)絡規(guī)定每10 分鐘（600 秒）左右生成一個新區(qū)塊。假設某臺設備算力為hash_count H/s，即一秒鐘可執(zhí)行哈希運算次數(shù)為hash_count，10 分鐘可執(zhí)行哈希運算hash_count*600 次，則挖礦成功的概率 p 等于hash_count*600*（target/2256），將 式（2）和 difficulty_1_target 代入可得挖礦成功的概率為：

若要保證在10 分鐘內(nèi)100%能挖礦成功，總共需要執(zhí)行的哈希運算次數(shù)是2256/target，即最低算力hash_count 為 2256/target/600H/s，將 式 2 和 difficulty_1_target 代入可得最低算力為：

隨著全網(wǎng)參與挖礦的設備計算能力不斷提升或降低，區(qū)塊生成時間也會隨之減少或增加，為了維持10分鐘左右出一個區(qū)塊，全網(wǎng)每新增2016 個區(qū)塊（新增2016 個區(qū)塊大概需要14 天左右）就要調(diào)整一次挖礦難度。新挖礦難度將根據(jù)前一周期全網(wǎng)算力決定，難度調(diào)整公式如下：

其中expected_time 等于20160 分鐘，是產(chǎn)生前一周期2016 個區(qū)塊的期望時間，actual_time 是產(chǎn)生前一周期2016 個區(qū)塊的實際時間。

以 2020 年 5 月 5 號 12 點 11 分生成的 628994 號區(qū)塊為例，Bits 值 0x17117a39，則 coefficient 系數(shù)是0x117a39，exponent 指數(shù)是0x17，表示目標哈希值中實際有效的字節(jié)數(shù)是23 個，難度系數(shù)是這23 個字節(jié)中的前3 個字節(jié)，剩下低位20 個字節(jié)用0 補齊。此外，為了湊夠32 字節(jié)的哈希值，還需要在高位用0 補9 個字節(jié)，得出目標哈希值為0x000000000000000000117a 390000000000000000000000000000000000000000[12]，再根 據(jù) 式（2）計 算 出 挖 礦 難 度（difficulty）為16105053229139.447，在該挖礦難度下，若想挖礦成功，根據(jù)式（4）可以計算出要求的最低算力是115.284461532488530000EH/s。若使用一臺算力大概是 4.8GH/s 的個人電腦（Intel Core i5 雙核 2.4 GHz）進行挖礦，根據(jù)式（3）可以計算出10 分鐘內(nèi)挖到礦的概率是1/（8.646334614936639*1033），這個概率是極低的，所以現(xiàn)在用個人電腦幾乎是不可能挖到礦了。

4.3 礦機、礦場和礦池

運行比特幣客戶端的機器就是一個節(jié)點，其中擁有完整區(qū)塊鏈賬本的節(jié)點稱為全節(jié)點，全節(jié)點可以驗證和廣播交易及區(qū)塊，對于整個比特幣網(wǎng)絡來說非常重要，目前全球大約有 9672 個全節(jié)點，美國占19.27%，中國占2.07%[18]。不擁有完整區(qū)塊鏈賬本的節(jié)點稱為輕節(jié)點，輕節(jié)點一般只保存了區(qū)塊頭和默克爾樹路徑數(shù)據(jù)，可以進行交易和驗證交易是否完成。挖礦節(jié)點是具有挖礦功能的全節(jié)點，也稱為記賬節(jié)點。礦機是專門用來挖礦的專業(yè)設備，一般只執(zhí)行單一的計算程序，耗電量大，發(fā)熱量大，算力比普通電腦設備強很多，一臺螞蟻礦機S19 Pro 算力高達110TH/s[21]。將多臺礦機集中起來放在一起挖礦就形成了礦場，礦場耗電量巨大，一般會選擇設在電力便宜的地方。隨著越來越多的礦工入場，挖礦的總算力越來越高，單個礦工的產(chǎn)出也變得越來越不穩(wěn)定，為了獲得更加穩(wěn)定的挖礦收益，礦工們聯(lián)合起來與其他礦工進行競爭，因此逐漸出現(xiàn)了比特幣礦池的概念。礦池是一個開放的、全自動的挖礦平臺，礦工將自己的礦機接入礦池，貢獻自己的算力共同挖礦獲得收益。礦池本身并不進行挖礦計算，而是將計算任務分配給連接到礦池的礦機，礦池根據(jù)投入的算力占比進行收益分配，保證礦工獲得更穩(wěn)定的收入。根據(jù)BTC.COM 網(wǎng)站顯示，截止到2020 年5 月5 日，根據(jù)最近1 年出塊數(shù)據(jù)計算，全球算力占比前 5 名的礦池分別是 BTC.COM（15.64%）、F2Pool（15.37%）、Poolin（14.18%）、AntPool（11.65%）、ViaBTC（7.05%）。

4.4 獎勵機制

挖礦成功可以獲得區(qū)塊獎勵，創(chuàng)世區(qū)塊的區(qū)塊獎勵是50 個比特幣，每新增210000 個區(qū)塊，獎勵減半，根據(jù)每個區(qū)塊產(chǎn)生平均時間10 分鐘計算，大概每4 年左右區(qū)塊獎勵減半一次。從BTC.COM 可以獲知，2012日 11 月 28 日 23 點 24 分 38 秒，210000 號區(qū)塊被挖出，區(qū)塊獎勵第一次減半為25 個比特幣。2016 年7 月10 日 0 點 46 份 13 秒，420000 號區(qū)塊被出，區(qū)塊獎勵再次減半至12.5 個比特幣，預計下一次減半時間是2020 年5 月12 日。此外，挖礦成功還可以獲得區(qū)塊中所有交易的交易費，交易費是由交易發(fā)起者規(guī)定給多少交易費，一筆交易的輸出值與輸入值之間的差值視為交易費，交易需要打包進區(qū)塊上鏈才能被確認，為了能盡快上鏈確認交易，一般每筆交易會有少量交易費。隨著區(qū)塊獎勵越來越低，將來系統(tǒng)將主要依靠交易費維持正常運行。

5 合約層（比特幣腳本）

比特幣系統(tǒng)合約層是一段比特幣腳本代碼，是智能合約的雛形，采用一種類Forth、基于棧模型、無狀態(tài)的、非圖靈完備的腳本語言實現(xiàn)。比特幣腳本中不存在流控制和循環(huán)，極大降低了復雜性和不確定性，并且避免了陷入死循環(huán)等邏輯炸彈而造成拒絕服務等安全問題，但同時也降低了靈活性。比特幣腳本本質(zhì)上是一組指令的集合，常用指令如表3 所示[19]。比特幣交易中包含兩類腳本，即鎖定腳本（scriptPubKey）和解鎖腳本（scriptSig），鎖定腳本也稱為輸出腳本，一般包含在一筆交易的輸出中，規(guī)定了這筆交易輸出的花費條件，解鎖腳本也成為輸入腳本，是滿足花費條件的腳本，分別執(zhí)行交易的輸入腳本和上一筆交易的輸出腳本，若執(zhí)行正確，則表示解鎖腳本滿足鎖定腳本規(guī)定的花費條件，將允許該輸出被消費。比特幣系統(tǒng)通過這兩種腳本的組合，可以實現(xiàn)靈活的交易控制。

表3 比特幣腳本常用指令

6 應用層（比特幣交易）

比特幣系統(tǒng)每個用戶都擁有自己的私鑰和公鑰，私鑰是保密不公開的，公鑰是公開的，同時還擁有基于公鑰生成的地址，用于比特幣交易[20]。比特幣系統(tǒng)中沒有余額的概念，它使用UTXO（Unspent Transaction Out?puts，未花費的交易輸出）模型，一個UTXO 可以是1 聰（satoshi，1 個比特幣等于 1 億聰）的任意倍數(shù)，一個UTXO 在一次交易中只能作為一個整體被花費，一個地址的所有UTXO 之和可以理解成是這個地址的余額。比特幣交易包含輸入和輸出，輸入和輸出都可以有多個，表示一次交易可以將先前多個交易輸出中的比特幣合并后轉(zhuǎn)給另外多個地址。Coinbase 交易是一種特殊交易，用于給挖礦成功的礦工發(fā)獎勵，可以沒有輸入。普通交易輸入對應上一筆交易的輸出，主要由上筆交易的哈希、上筆交易的輸出索引和輸入腳本組成，上筆交易輸出索引對應上筆交易的第幾個輸出，輸入腳本包含了發(fā)送者對當前交易的簽名信息。每個輸出包括轉(zhuǎn)賬金額、輸出腳本，輸出腳本中包含了接收者公鑰哈希。所有交易都包含上筆交易哈希值，從而構(gòu)成了多條以交易為結(jié)點的交易鏈，每筆交易可一直向前追溯至源頭的Coinbase 交易，向后可追蹤至尚未花費的交易。如果一筆交易的輸出沒有任何另一筆交易的輸入與之對應，則說明該輸出中的比特幣未被花費[14]。

比特幣交易類型主要包括P2PKH（Pay-to-Public-Key-Hash）、P2PK（Pay-to-Public-Key）、P2SH（Pay-to-Script-Hash）。P2PKH 交易輸出腳本鎖定為接收者公鑰哈希值，即我們常說的比特幣地址，需要花費這筆交易輸出，需要在創(chuàng)建一筆交易時提供自己的公鑰和私鑰簽名來解鎖，從而證明自己擁有這筆交易輸出的支配權(quán)。P2PK 是支付到公鑰的交易，鎖定腳本中直接包含了接收者的公鑰，解鎖腳本包含需要花費這筆交易輸出者的私鑰簽名。P2SH 是多重簽名腳本交易，鎖定腳本設置了N 個公鑰，解鎖腳本至少提供M 個私鑰簽名來解鎖才能使用這筆輸出，這也稱為M-N 方案[20]，P2SH 可以應用在遺產(chǎn)分配、擔保交易、財務監(jiān)督、公司決策等場景[10]。

用戶間普通轉(zhuǎn)賬一般是P2PKH 交易，交易的流程如下：

步驟一系統(tǒng)搜索支付方的UTXO 集合，判斷支付方是否有足夠的資金進行支付，若有則進入步驟二，若無法交易。

步驟二創(chuàng)建交易，將上筆未花費的交易哈希和輸出索引寫入當前交易的輸入中，構(gòu)建輸入腳本解鎖上一筆交易的鎖定腳本，將轉(zhuǎn)賬金額寫入當前交易的輸出，構(gòu)建輸出鎖定腳本，若轉(zhuǎn)賬金額與交易費之和小于未花費金額，此時增加一個輸出，輸出的地址是支付方地址，該地址也稱找零地址。

步驟三交易創(chuàng)建后，在比特幣網(wǎng)絡中廣播該交易，全節(jié)點收到該交易后，會驗證該交易是否合法，如驗證交易輸入是否對應的是UTXO 等。若通過驗證，則將該交易加入到待確認交易集合，等待打包上鏈。

步驟四挖礦節(jié)點開始挖礦時會從待確認交易集合中根據(jù)優(yōu)先級選取若干待確認交易加入到區(qū)塊中，若挖礦成功則發(fā)布該區(qū)塊，全網(wǎng)廣播。

步驟五全網(wǎng)記賬，各個節(jié)點接收到新區(qū)塊后，驗證是否合法，若合法則加入本地區(qū)塊鏈末端，同時挖礦節(jié)點從本地待確認交易集合中移除新區(qū)塊中的交易，同時需要更新本地UTXO 索引數(shù)據(jù)。

步驟六被添加到區(qū)塊鏈上的交易稱為確認交易，一筆交易經(jīng)過6 次“確認”之后，大約需要1 個小時，就認為該交易是安全不可更改的了，此時交易接收方就能花費這筆交易所得的比特幣，至此，一筆交易完成。

7 問題和展望

為了避免惡意節(jié)點生成一堆交易費為0 的無效交易導致網(wǎng)絡癱瘓等問題，2010 年7 月中本聰引入了區(qū)塊大小最大為1M 的限制，平均每筆交易約0.25K，每個區(qū)塊能容納的交易數(shù)量約為4194 筆，按照10 分鐘出一個區(qū)塊計算，比特幣系統(tǒng)交易吞吐量為7TPS，即平均每秒能處理7 筆交易。當網(wǎng)絡中發(fā)生大量交易時，大部分交易只能等待上鏈確認，會極大延長交易上鏈確認的時間，同時會導致交易費直線上升，因為想盡快上鏈確認的交易只能提高交易費。此外，10 分鐘出塊限制也是導致交易確認時間長的一個原因，為了保證交易是在主鏈（最長鏈）上，最終完成交易需要6 次“確認”，也就是完成一筆交易需要60 分鐘。針對比特幣系統(tǒng)交易吞吐量低和交易確認時間長的問題，目前有鏈上擴容和鏈下擴容兩種方案。鏈式擴容是啟動硬分叉提高區(qū)塊大小，比特幣現(xiàn)金正是采用這種方式在2017 年8 月1 日從原來的比特幣網(wǎng)絡中分離出來，這種方式每個區(qū)塊可以包含更多的交易數(shù)據(jù)，降低交易費用，但是可能導致區(qū)塊傳輸和同步時間變長等問題。鏈下擴容不增加區(qū)塊大小，通過在鏈下建立一個支付通道（如閃電網(wǎng)絡）來實現(xiàn)快速交易，任意兩個用戶可以直接建立點對點的支付通道進行多次轉(zhuǎn)賬交易，在通道關閉時將最終結(jié)果上鏈，這種方式提高了交易吞吐量，大大降低高頻率小額交易的確認時間，降低交易費，通道關閉前多次轉(zhuǎn)賬的交易細節(jié)不會上鏈，犧牲了部分全程可追溯的特性[25-29]。

針對比特幣挖礦耗費巨大電力資源和計算資源的問題，目前可取的方案有PoS（權(quán)益證明）以及在PoS 基礎上衍生出來的DPoS，以太坊共識算法已經(jīng)從PoW改為PoS。PoS 算法獲得記賬權(quán)的概率與幣齡（貨幣數(shù)量*貨幣持有時長）成正比，不需要挖礦，也就避免了電力和計算資源浪費的問題。DPoS 是議會制的PoS，權(quán)益集中在議會成員中，共識效率更高，但是犧牲了部分去中心化特性[30-32]。

8 結(jié)語

比特幣系統(tǒng)自誕生以來，總體運行安全穩(wěn)定，仍在不斷發(fā)展和完善中，同時開啟了區(qū)塊鏈快速發(fā)展的十年，區(qū)塊鏈不僅僅是一個用于記賬的賬本，更是一場基于互聯(lián)網(wǎng)的技術革命。對于比特幣系統(tǒng)安全、比特幣系統(tǒng)改進、比特幣應用等問題有待進一步研究。