比特幣演算法

什麼是比特幣演算法？

比特幣演算法是支撐比特幣網路運作的一整套密碼學方法與共識機制。它規範區塊如何產生、交易如何驗證，以及區塊如何串接形成防竄改的分散式帳本。

比特幣的運作並非單靠單一演算法，而是多種協議的組合：工作量證明（PoW）決定區塊產生權；SHA-256用於產生區塊與交易的雜湊指紋；ECDSA確保交易簽章與位址產生的安全性；默克爾樹將大量交易壓縮成單一摘要；難度調整機制維持區塊產生間隔的穩定。這些要素協同運作，使去中心化參與者無需中央機構也能達成共識。

比特幣為什麼採用工作量證明？

採用工作量證明的主要目的是將區塊產生轉化為一場公開且可驗證的解謎競賽。誰最先找到符合網路標準的雜湊值，誰就獲得記帳權，其他節點能迅速驗證這個解答。

工作量證明就像一場公開抽獎，但每張「彩券」都必須透過運算取得，偽造成本極高。這種機制有效防禦女巫攻擊（攻擊者偽造大量身分）與竄改交易歷史，因為攻擊行為需要付出極高的運算成本。與基於身分或投票的共識模型不同，PoW將安全性直接與現實世界的資源——電力與硬體——連結，讓惡意攻擊的成本高昂且難以持續。

比特幣如何利用SHA-256將交易串連進區塊？

比特幣將區塊頭（包括前一區塊雜湊、時間戳、難度目標、隨機數與默克爾根）連續兩次輸入SHA-256，尋找低於目標值的雜湊輸出。找到後，產生新區塊並與前一區塊串接。

「雜湊」可視為將資料以固定演算法處理，產生唯一且固定長度的指紋。即使輸入有極小變化，輸出也會完全不同，幾乎無法逆向還原或找到兩個不同輸入產生相同雜湊。礦工不斷調整隨機數，直到區塊頭經SHA-256後的結果符合難度標準。

第一步：節點收集交易並驗證其簽章及UTXO（未花費交易輸出）來源。

第二步：節點以交易構建默克爾樹，並將產生的默克爾根寫入區塊頭。

第三步：礦工遍歷隨機數等可變欄位，連續計算兩次SHA-256，找到有效解後廣播區塊。其他節點僅需一次雜湊運算即可驗證區塊有效性。

ECDSA在比特幣中的作用是什麼？

ECDSA（橢圓曲線數位簽章演算法）讓用戶能夠證明只有掌控特定私鑰的人才能授權資產支出。私鑰就像鑰匙，公鑰和位址則如同信箱號碼——任何人都能轉帳給你，但只有持有私鑰的人能動用這些資產。

發起交易時，錢包利用私鑰對交易進行簽章，其他節點則用公鑰驗證簽章，無需取得你的私鑰。這種方式兼顧公開驗證與資產所有權保障。比特幣採用secp256k1曲線的ECDSA演算法，兼具高效率與安全性。

默克爾樹如何提升比特幣驗證效率？

默克爾樹將交易雜湊兩兩組合，逐層合併，最終產生一個摘要——默克爾根。輕節點（SPV客戶端）只需下載區塊頭及與自身交易相關的證明路徑，即可驗證交易是否被收錄。

這就像擁有一張超市總帳單：每張小票在樹中有獨立路徑，只需查驗一條路徑，無需核對當天所有單據。這種結構讓行動錢包或輕客戶端無需儲存全部區塊鏈資料，也能高效驗證交易，降低網路負擔。

比特幣如何透過調整挖礦難度維持10分鐘出塊？

每2016個區塊（約每兩週），網路會比對實際用時與目標，自動調整挖礦難度，使平均出塊時間回歸約10分鐘。

若全網算力提升、出塊加快，則難度上調（要求雜湊更小）；若算力下降，則難度下調。這套機制如同自動變速箱，確保出塊速度穩定。截至2024年（可於Blockchain.com等平台查詢），全網算力多次創新高，展現演算法的強大適應力。

比特幣演算法在錢包與交易所中的應用

比特幣演算法支撐日常操作流程，例如位址產生、交易簽章、廣播與鏈上確認。在交易所，這些流程雖然已自動化，但同樣依賴這些底層演算法。

如在Gate充值比特幣時，系統會為你產生新的比特幣位址。區塊鏈節點透過ECDSA與UTXO驗證入帳，資產在達到指定確認數後入帳。

從Gate提幣至外部錢包時：

第一步：你提交提幣位址與數量，系統構建UTXO交易並用平台託管金鑰簽章。

第二步：交易廣播到比特幣網路，礦工將其打包進區塊，並透過SHA-256與默克爾樹記錄。

第三步：確認數達到平台設定後，提幣完成。網路壅塞與礦工費會影響速度——較高的手續費通常能更快獲得確認，但成本也較高。

比特幣演算法的風險與限制

主要風險之一是算力集中與51%攻擊。若單一實體控制大部分算力，理論上可重組近期區塊或實現雙重支付，雖然成本極高。

另一大隱憂是能源消耗。PoW將安全性直接與電力消耗連結，帶來實際成本，也引發環保爭議。網路手續費與壅塞同樣影響用戶體驗——低費率交易在高峰時段可能被延遲。

量子運算被視為長期風險，可能威脅現有簽章方案。社群通常預留軟分岔或硬分岔空間，以便升級至抗量子簽章演算法。資金操作時務必核對位址、網路與手續費參數，警惕釣魚連結與假錢包，避免資產損失。

比特幣演算法與其他共識機制的對比

與權益證明（PoS）相比，PoS透過代幣質押與懲罰機制激勵參與者（能耗較低、確認更快），而比特幣演算法將安全性錨定於現實世界資源（算力與電力），攻擊成本更高但能耗也較大。

與委託權益證明（DPoS）依賴少數「超級節點」達成共識（可能降低去中心化）不同，比特幣不依賴特定選民，去中心化程度更高，但吞吐量與確認速度相對較慢。各種共識模型在安全性、去中心化、效能與成本之間各有取捨，適用於不同應用場景。

要點速覽：比特幣演算法核心

比特幣演算法透過工作量證明讓礦工獲得區塊打包權；以SHA-256確保區塊防竄改；藉由ECDSA確保只有私鑰持有者能支配資產；採用默克爾樹提升驗證效率；動態調整難度確保穩定出塊。這些特性實現了開放網路上的安全、去中心化記帳，同時帶來能耗、費用與算力集中等挑戰。理解這些要素，有助於用戶評估錢包與交易所中的速度、成本與安全界限。

常見問題

比特幣挖礦為什麼這麼困難？難度如何設定？

比特幣挖礦難度會依全網算力自動調整，目標是平均每10分鐘產生一個新區塊。隨著礦工數量增加或算力提升，難度上調；參與度下降時，難度下調。這套自適應機制可確保供給穩定，避免因出塊過快導致通膨。

SHA-256和ECDSA在比特幣中分別扮演什麼角色？

SHA-256用於挖礦與產生區塊雜湊——礦工不斷嘗試不同數值，直到找到符合網路難度的雜湊值。ECDSA則用於交易簽章與驗證——確保只有私鑰持有者能支配比特幣，保障資金安全。簡單來說：SHA-256保障區塊安全，ECDSA守護你的錢包。

比特幣為何選擇工作量證明而非其他共識模型？

工作量證明透過高昂的運算成本保障網路安全——攻擊者需掌控超過51%算力才能竄改紀錄，代價極高。其他模型如權益證明則可能面臨財富集中等風險。雖然PoW能耗較高，但在去中心化與安全性之間實現數學與經濟上的平衡，是比特幣的核心設計選擇。

理解比特幣演算法需要掌握哪些核心概念？

四大核心概念：工作量證明（礦工以算力競爭打包區塊）、默克爾樹（高效驗證交易完整性）、難度調整（維持出塊穩定）、ECDSA簽章（保障交易授權安全）。掌握這些基礎，有助於理解比特幣如何透過程式碼實現無需信任的交易確認。

量子電腦會攻破比特幣演算法嗎？

理論上，量子運算未來可能威脅ECDSA簽章，但目前風險並不迫切。比特幣社群已準備透過升級抗量子演算法或多重簽章方案應對。現階段量子運算能力尚遠未達可破解現有密碼學的程度，無需擔憂，但持續研究防禦措施非常重要。