作者：禅与计算机程序设计艺术
1.简介
“数字货币”这个词已经非常流行了。但是对于一般消费者来说，“数字货币”到底是什么，可能还是很模糊的一件事情。而在本文中，我将会给大家提供一个完整且深入浅出的介绍“数字货币”的全貌，并通过相关知识点和应用场景，更好地理解这一概念。
说起数字货币，首先得了解什么是货币。货币是一种法律支付工具，其目的是促进交易，控制物价水平，确保货币供应量。在现代社会，货币主要由银行发行，发行过程会制造黄金、纸币、硬币等不同的货币形式，然后这些货币被广泛运用于商业领域。如今的世界市场上，货币数量呈指数级增长，特别是在发达国家。据估计，全球每年交易货币数超过1万亿美元。而到了2021年，也就是我们生活的这个时期，全球货币总量仅仅占全球GDP的四分之一左右。
数字货币（Digital Currency）也叫区块链加密货币，它是基于区块链技术构建的一种新的支付系统。数字货币具有独特的特征：去中心化、匿名性、高安全性、无需信任、低成本、跨境转账方便等，使得它的普及率和影响力在不断扩大。目前，国内外有许多公司和个人都参与开发和推广数字货币。根据数据显示，截至2021年7月，全球已有超过90个国家和地区在使用数字货币进行支付。
2013年，比特币诞生于美国，它是一个开源的分布式数据库，里面存储着用户之间的交易记录，可以实现去中心化的支付功能。由于比特币的分布式特性，任何一方都可以在不依赖其他人的情况下完成交易。但随着比特币的不停增发，其价格暴涨，并开始走向全球性的恶性通胀。为了解决这个问题，2017年发布的以太坊出现了，它是一个基于计算机的代码，可以让用户之间进行直接的交互，而且不需要依赖第三方的服务。以太坊的运行机制是基于以太币（ETH），但可以同时支持不同种类的代币，例如比特币。由于区块链技术的普及，数字货币终于成为主流，各种数字货币纷纷上线，形成了一条兼具传统货币属性又具备支付功能的新型支付模式。
2.基本概念术语说明
2.1 钱(Currency)
钱是指能够作为交换媒介的商品或者劳务，也是国家政权赖以维持稳定的最基本的单位。中国古代有钱才有脸皮，所以在中国，只要具有货币属性的东西都可以称作钱。比如：现钞、纸币、硬币、钱币、钱幣、硬币、银子……。
2.2 货币发行
货币是一种法律支付工具，其目的是促进交易，控制物价水平，确保货币供应量。在现代社会，货币主要由银行发行，发行过程会制造黄金、纸币、硬币等不同的货币形式，然后这些货币被广泛运用于商业领域。如今的世界市场上，货币数量呈指数级增长，特别是在发达国家。据估计，全球每年交易货币数超过1万亿美元。而到了2021年，也就是我们生活的这个时期，全球货币总量仅仅占全球GDP的四分之一左右。
2.3 数字货币
数字货币（Digital Currency）也叫区块链加密货币，它是基于区块链技术构建的一种新的支付系统。数字货币具有独特的特征：去中心化、匿�名性、高安全性、无需信任、低成本、跨境转账方便等，使得它的普及率和影响力在不断扩大。目前，国内外有许多公司和个人都参与开发和推广数字货币。根据数据显示，截至2021年7月，全球已有超过90个国家和地区在使用数字货币进行支付。
2.4 智能合约
智能合约（英语：Smart Contracts）是一种独立于网络之外的计算机协议，允许多个节点在没有中心管理机构的条件下，安全、可靠地互动。在智能合约中，各方之间就某些事件达成协议，并自动地履行相应的义务或担保。智能合约可以用来管理经济活动，限制股份转让、借贷、抵押担保等活动；也可以用来维护版权、健康证明、供应链跟踪等复杂的业务规则。智能合约是区块链的一个重要组成部分，它能够让人们以更低的成本、更少的人力、更快的速度完成交易。但是，需要注意的是，虽然智能合约能够降低成本、加速交易，但它并非银行同伴、担保人和交易所单方面可靠。因此，尽管智能合约的技术原理已经得到高度认可，但还存在许多问题，并且仍处于蓬勃发展阶段。
2.5 区块链
区块链是由一系列用密码学的方式将交易记录保存下来的特殊数据结构。区块链的技术构建于公共Ledger之上，提供了一种分布式、不可篡改的记录系统。区块链是一个公开、透明、安全、不可伪造的数据记录体系，是一种去中心化的分布式数据库，它不依赖于任何单一实体的审批、管理，而是依靠一套开源的共识算法，将所有交易记录连接成一条链条。基于区块链的数字货币具有以下几个特征：去中心化、匿名性、高效率、安全性、匿名性、跨境转账等。
2.6 比特币
比特币是2009年发布的，是一个开源的分布式数据库，里面存储着用户之间的交易记录，可以实现去中心化的支付功能。比特币的原理是工作量证明（PoW），就是利用计算能力证明自己可以解决一些特定类型的计算问题，来获得比特币。由于比特币的分布式特性，任何一方都可以在不依赖其他人的情况下完成交易。但随着比特币的不停增发，其价格暴涨，并开始走向全球性的恶性通胀。为了解决这个问题，2017年发布的以太坊出现了，它是一个基于计算机的代码，可以让用户之间进行直接的交互，而且不需要依赖第三方的服务。以太坊的运行机制是基于以太币（ETH），但可以同时支持不同种类的代币，例如比特币。目前，以太坊是全球最大的基于区块链的数字货币项目，其价值远超比特币。
3.核心算法原理和具体操作步骤以及数学公式讲解
3.1 发行数字货币
创建一个数字货币的流程大致如下：
- 创建数字货币的白皮书
- 确定代币名称、符号、算法和发行数量
- 编写智能合约并与区块链平台结合
- 分配货币，锁定初始供应量
- 测试和迭代
其中，创建数字货币的白皮书可以帮助决策者和相关利益相关者对该项目做充分的准备。白皮书包括项目背景和目标，分析数字货币的发展方向和未来发展趋势，对加密货币和区块链的发展前景做出评估，以及规划发行计划。
确定代币名称、符号、算法和发行数量是决定该代币是否有价值的第一步。比如，代币名称可以命名为PHT或PHU，代币符号可以采用比特币的符号“฿”，算法可以使用SHA-256等，发行数量可以设为1亿枚，这样就创造了一个新的支付系统。如果希望发行更大的货币，比如20亿枚，那么还需要进行相关参数的调整。
编写智能合约和区块链平台结合是指，开发者需要使用某种编程语言（如Solidity）来编写智能合约，并与对应的区块链平台绑定（如Ethereum网络）。通过绑定，智能合约就可以访问区块链上的数据、功能等资源。另外，智能合约还需要部署到区块链网络上才能真正运行。
分配货币，锁定初始供应量是指，发行人需要在网络上向社区分发代币，然后把初始供应量锁定起来。锁定后，用户才能使用该代币购买商品和服务。
测试和迭代是指，开发者需要使用测试网（测试环境）来测试智能合约，确认运行正常。当测试通过后，就可以在主网（实时环境）上部署智能合约，通过社区投票来确定发行人是否应该锁定更多的代币。
3.2 数字货币的原理
3.2.1 工作量证明（POW）
工作量证明算法（Proof of Work）是目前比特币采用的一种共识算法。区块链网络中的每个节点都会竞争生成区块，每个区块都包含了之前所有的交易记录。只有拥有有效算力的节点才能生成有效的区块。
具体过程如下：
- 每个节点都会发送一个请求，要求将交易信息加入到区块中。
- 当收到请求之后，节点就会开始进行工作，通过大量的计算来验证交易信息。
- 如果节点成功的完成计算，那么它就能生成一个新的区块，并且把它添加到区块链上。
- 新的区块链条就会广播到网络上，整个网络都会认可并接受新的区块链条。
工作量证明算法有两个优点：
- 计算量难度适中，可以让矿工们相对容易的找到有效的计算方案。
- 由于有固定的计算能力，矿工们可以保证自己的算力始终保持在一个比较稳定的水平，从而避免单一的矿工独霸整个网络。
3.2.2 权益证明（POS）
权益证明算法（Proof of Stake）是第二代比特币采用的共识算法。它的特点是引入了权益证明（PoS），即对权益（也就是币龄）的证明而不是算力。
具体过程如下：
- 用户在申请加入区块链网络时，将会提交一些个人身份信息，包括身份证号、银行账号、姓名等。
- 网络会对每个用户的身份信息进行验证，只有身份信息属实的用户才有资格参与共识过程。
- 在共识过程中，每个用户都会进行投票，以表明自己拥有足够多的币龄。
- 有效投票数越多，用户的权益越高，就越有资格进入下一轮共识。
- 根据获得的票数，网络会进行下一轮共识，选出新的区块生产者。
- 下一轮共识产生的区块链条就会广播到网络上，整个网络都会认可并接受新的区块链条。
权益证明算法有三个优点：
- 不需要像工作量证明那样提供可观测的算力，保证了网络的公平性。
- 有较高的灵活性，可以根据个人实际情况调整投票权重，从而平衡网络的安全性和经济性。
- 更适合加密货币，因为其币龄投票机制，即使是非常小额的交易也能产生影响。
3.2.3 分布式记账权
分布式记账权是比特币和以太坊的关键创新。其思路是：“去中心化自治组织”（DAO）的运作模式。通过赋予每个账户微小的投票权，DAO成员将可以连续影响系统的政策。这是因为每个地址都可以代表一定比例的参与权，而不像传统的中心化机构一样只能掌控一切。相反，DAO的这种分布式、自主权力结构既保障了公平性，又有效地鼓励了个人的参与。
3.3 智能合约
智能合约是一种独立于网络之外的计算机协议，允许多个节点在没有中心管理机构的条件下，安全、可靠地互动。在智能合约中，各方之间就某些事件达成协议，并自动地履行相应的义务或担保。智能合约可以用来管理经济活动，限制股份转让、借贷、抵押担保等活动；也可以用来维护版权、健康证明、供应链跟踪等复杂的业务规则。智能合约是区块链的一个重要组成部分，它能够让人们以更低的成本、更少的人力、更快的速度完成交易。
智能合约的基本工作原理如下：
- 双方（即各方）之间通过对话协议完成合同的协商，产生共同遵守的“契约”。
- 当双方签署“契约”并达成共识时，合同便正式生效，各方开始履行合同义务。
- 如果一方违约，则另一方有权取消合同，协议终止。
智能合约可以实现以下功能：
- 支付模块：智能合约可以与区块链上的代币进行结算，实现代币的流通和支付。
- 防黑客攻击：智能合约可以通过密钥环签名等方式检测用户的操作，发现异常行为进行封禁或扣除代币。
- 访问控制：智能合约可以对用户的权限进行细粒度控制，实现信息隐私保护。
- 博彩游戏：智能合约可以用来处理支付、抽奖等环节，创造出艺术化的游戏体验。
3.4 跨境支付
目前，数字货币的跨境支付非常简单，无论是个人间的跨境支付还是企业间的跨境支付，都可以通过支付接口将数字货币汇入接收账户。但是，要实现跨境支付，还需要满足银行之间的协议。目前，国际上主要的银行支付机构有Visa、MasterCard、American Express等。支付机构向其他支付机构开通跨境支付业务后，须通过专门审核的形式。
4.具体代码实例和解释说明
4.1 代码示例
以下是一个展示区块链信息的示例：
from blockchain import Blockchain
blockchain = Blockchain()
print("区块高度: ", blockchain.get_block_height())
print("当前区块哈希值: ", blockchain.get_current_block_hash())
for block in blockchain.blocks[::-1]:
print("Block hash:", block['hash'])
print("Previous block hash:", block['previous_hash'])
for transaction in block['transactions']:
print("Transaction:")
print("Sender address:", transaction['sender_address'])
print("Receiver address:", transaction['receiver_address'])
print("Amount transferred:", transaction['amount'])4.2 解释说明
这段代码的作用是获取区块链的高度和当前区块哈希值，以及所有的区块和交易信息。这里的区块链类是通过调用Blockchain()方法来获得的。
在__init__.py文件中定义的Blockchain类如下：
import hashlib
import datetime
class Transaction:
def __init__(self, sender_address, receiver_address, amount):
self.sender_address = sender_address
self.receiver_address = receiver_address
self.amount = amount
def to_json(self):
return {
'sender_address': self.sender_address,
'receiver_address': self.receiver_address,
'amount': self.amount
}
class Block:
def __init__(self, index, previous_hash, timestamp, transactions):
self.index = index
self.previous_hash = previous_hash
self.timestamp = timestamp
self.transactions = [transaction.to_json() for transaction in transactions]
self.nonce = 0
self.hash = self.generate_hash()
def generate_hash(self):
sha256 = hashlib.sha256()
string_to_encode = "{}{}{}{}".format(str(self.index), str(self.previous_hash),
str(self.timestamp), str(self.transactions))
sha256.update(string_to_encode.encode('utf-8'))
return sha256.hexdigest()
def mine_block(self, difficulty):
prefix_zeros = ''.join(['0'] * difficulty)
while True:
if self.hash.startswith(prefix_zeros):
break
else:
self.nonce += 1
self.hash = self.generate_hash()
def to_json(self):
return {
'index': self.index,
'previous_hash': self.previous_hash,
'timestamp': self.timestamp,
'transactions': self.transactions,
'nonce': self.nonce,
'hash': self.hash
}
class Blockchain:
def __init__(self):
self.unconfirmed_transactions = []
self.chain = []
self.create_genesis_block()
def create_genesis_block(self):
genesis_block = Block(
0,
"0",
datetime.datetime.now(),
[],
)
self.add_block(genesis_block)
def add_transaction(self, transaction):
self.unconfirmed_transactions.append(transaction)
def get_balance(self, address):
balance = 0
for block in self.chain:
for transaction in block['transactions']:
if transaction['sender_address'] == address:
balance -= transaction['amount']
elif transaction['receiver_address'] == address:
balance += transaction['amount']
return balance
def add_block(self, block):
previous_hash = self.get_latest_block()['hash']
if block.previous_hash!= previous_hash:
raise Exception('无效的区块')
block.mine_block(difficulty=4) # 设置难度为4
self.chain.append(block.to_json())
self.unconfirmed_transactions = []
return block
def is_valid_chain(self, chain):
prev_block = None
current_index = len(chain) - 1
while current_index > 0:
if chain[current_index]['previous_hash']!= prev_block['hash']:
return False
block = chain[current_index]
txs = block['transactions']
tx_len = len(txs)
tx = txs[0]
h = tx['sender_address'] + tx['receiver_address'] + str(tx['amount'])
for i in range(1, tx_len):
tx = txs[i]
if not (tx['sender_address'], tx['receiver_address']):
return False
h += tx['sender_address'] + tx['receiver_address'] + str(tx['amount'])
if int(h[:], 16) % pow(2, 256) >= pow(2, 256) // 2 or \
int(h[:], 16) % pow(2, 256) < pow(2, 256) // 2:
return False
prev_block = block
current_index -= 1
return True
def replace_chain(self, new_chain):
if new_chain and len(new_chain) > len(self.chain) and self.is_valid_chain(new_chain):
self.chain = new_chain
return True
return False
def get_latest_block(self):
return self.chain[-1]
def get_block_by_index(self, index):
return self.chain[index]
def get_block_height(self):
return len(self.chain)
def get_current_block_hash(self):
return self.chain[-1]['hash']在这个类里，我们可以看到以下几个类：
Transaction：表示一个交易信息，包含发送方地址、接收方地址和金额。Block：表示一个区块，包含区块索引、上一个区块哈希值、时间戳、交易列表、随机数nonce和区块哈希值。Blockchain：表示区块链，包含未确认交易列表、区块链列表、创建创世区块的方法和增加交易的方法。
我们来看一下各个类的具体方法：
Transaction类
class Transaction:
def __init__(self, sender_address, receiver_address, amount):
self.sender_address = sender_address
self.receiver_address = receiver_address
self.amount = amount
def to_json(self):
return {
'sender_address': self.sender_address,
'receiver_address': self.receiver_address,
'amount': self.amount
}这是一个简单的交易信息类，包含__init__方法和to_json方法。其中，__init__方法初始化交易信息，to_json方法将交易信息转换为JSON格式。
Block类
class Block:
def __init__(self, index, previous_hash, timestamp, transactions):
self.index = index
self.previous_hash = previous_hash
self.timestamp = timestamp
self.transactions = [transaction.to_json() for transaction in transactions]
self.nonce = 0
self.hash = self.generate_hash()
def generate_hash(self):
sha256 = hashlib.sha256()
string_to_encode = "{}{}{}{}".format(str(self.index), str(self.previous_hash),
str(self.timestamp), str(self.transactions))
sha256.update(string_to_encode.encode('utf-8'))
return sha256.hexdigest()
def mine_block(self, difficulty):
prefix_zeros = ''.join(['0'] * difficulty)
while True:
if self.hash.startswith(prefix_zeros):
break
else:
self.nonce += 1
self.hash = self.generate_hash()
def to_json(self):
return {
'index': self.index,
'previous_hash': self.previous_hash,
'timestamp': self.timestamp,
'transactions': self.transactions,
'nonce': self.nonce,
'hash': self.hash
}这是一个区块类，包含__init__方法、生成区块哈希值的方法、设置难度、将区块转换为JSON格式的方法。
Blockchain类
class Blockchain:
def __init__(self):
self.unconfirmed_transactions = []
self.chain = []
self.create_genesis_block()
def create_genesis_block(self):
genesis_block = Block(
0,
"0",
datetime.datetime.now(),
[],
)
self.add_block(genesis_block)
def add_transaction(self, transaction):
self.unconfirmed_transactions.append(transaction)
def get_balance(self, address):
balance = 0
for block in self.chain:
for transaction in block['transactions']:
if transaction['sender_address'] == address:
balance -= transaction['amount']
elif transaction['receiver_address'] == address:
balance += transaction['amount']
return balance
def add_block(self, block):
previous_hash = self.get_latest_block()['hash']
if block.previous_hash!= previous_hash:
raise Exception('无效的区块')
block.mine_block(difficulty=4) # 设置难度为4
self.chain.append(block.to_json())
self.unconfirmed_transactions = []
return block
def is_valid_chain(self, chain):
prev_block = None
current_index = len(chain) - 1
while current_index > 0:
if chain[current_index]['previous_hash']!= prev_block['hash']:
return False
block = chain[current_index]
txs = block['transactions']
tx_len = len(txs)
tx = txs[0]
h = tx['sender_address'] + tx['receiver_address'] + str(tx['amount'])
for i in range(1, tx_len):
tx = txs[i]
if not (tx['sender_address'], tx['receiver_address']):
return False
h += tx['sender_address'] + tx['receiver_address'] + str(tx['amount'])
if int(h[:], 16) % pow(2, 256) >= pow(2, 256) // 2 or \
int(h[:], 16) % pow(2, 256) < pow(2, 256) // 2:
return False
prev_block = block
current_index -= 1
return True
def replace_chain(self, new_chain):
if new_chain and len(new_chain) > len(self.chain) and self.is_valid_chain(new_chain):
self.chain = new_chain
return True
return False
def get_latest_block(self):
return self.chain[-1]
def get_block_by_index(self, index):
return self.chain[index]
def get_block_height(self):
return len(self.chain)
def get_current_block_hash(self):
return self.chain[-1]['hash']Blockchain类包含四个方法：
__init__：初始化区块链，创建创世区块。create_genesis_block：创建创世区块。add_transaction：添加交易信息。get_balance：查询账户余额。