Jak działa podstawowa transakcja Bitcoina?

Dekonstrukcja transakcji Bitcoina: Fundament cyfrowego transferu wartości

U swoich podstaw Bitcoin opiera się na prostym, a jednocześnie genialnie zaprojektowanym systemie transferu wartości. W przeciwieństwie do tradycyjnej bankowości, gdzie konta posiadają salda, Bitcoin funkcjonuje bardziej jak system cyfrowej gotówki, w którym każda jednostka wartości jest śledzona poprzez serię transakcji. Ten fundamentalny mechanizm, często określany mianem „transakcji bazowej”, stanowi fundament, na którym zbudowana jest cała sieć Bitcoin. Zrozumienie sposobu, w jaki transakcje te są strukturyzowane, walidowane i zapisywane, jest kluczowe dla pojęcia zasad bezpieczeństwa, integralności i operacyjności pierwszej i największej kryptowaluty na świecie.

Model Unspent Transaction Output (UTXO): Cyfrowa gotówka w akcji

Aby zrozumieć, jak działają transakcje Bitcoina, należy najpierw pojąć koncepcję Niewydanego Wyjścia Transakcji, czyli UTXO (Unspent Transaction Output). Model ten stanowi zmianę paradygmatu w stosunku do tradycyjnych systemów opartych na kontach i jest centralnym elementem projektu Bitcoina.

Wyobraź sobie fizyczną gotówkę w swoim portfelu: nie masz „salda konta” w gotówce; zamiast tego posiadasz konkretne banknoty o różnych nominałach (np. banknot 10-złotowy, banknot 20-złotowy). Gdy chcesz za coś zapłacić, używasz tych konkretnych banknotów. Jeśli przedmiot kosztuje 15 zł, a płacisz banknotem 20-złotowym, otrzymujesz 5 zł reszty – nowy banknot.

Model UTXO Bitcoina działa w podobny sposób:

• Brak salda kont: Portfele Bitcoin technicznie nie przechowują „salda” w konwencjonalnym sensie. Zamiast tego zarządzają kolekcją UTXO, które są „możliwe do wydania” za pomocą kluczy prywatnych portfela.
• Dyskretne jednostki wartości: Każde UTXO reprezentuje określoną, niewydaną ilość bitcoinów, która była wyjściem z poprzedniej transakcji. To jak cyfrowy banknot lub moneta.
• Wydawanie UTXO: Kiedy inicjujesz transakcję, Twój portfel wybiera jedno lub więcej posiadanych przez Ciebie UTXO, aby pokryć kwotę, którą chcesz wysłać. Te wybrane UTXO są w całości zużywane (wydawane) jako wejścia (inputs) dla nowej transakcji.
• Tworzenie nowych UTXO: Transakcja generuje następnie nowe UTXO jako wyjścia (outputs):
  • Jedno UTXO dla odbiorcy, zawierające wysłaną przez Ciebie kwotę.
  • Opcjonalnie, inne UTXO („wyjście reszty” – change output) wysyłane z powrotem do Twojego portfela, obejmujące pozostałą kwotę ze zużytych UTXO, która nie została wysłana do odbiorcy ani zapłacona jako opłata transakcyjna.

Model UTXO oferuje kilka zalet, w tym zwiększoną prywatność (ponieważ transakcje nie łączą się jawnie z kontami użytkowników, a jedynie z kluczami publicznymi), lepszą ochronę przed podwójnym wydawaniem oraz większą skalowalność dzięki równoległemu przetwarzaniu transakcji. Gwarantuje on, że każda jednostka Bitcoina jest rozliczona i możliwa do prześledzenia od jej powstania (wydobycia) przez całą historię transakcji.

Anatomia transakcji Bitcoina

Każda transakcja Bitcoina jest strukturą danych składającą się z kilku kluczowych komponentów. Struktura ta zapewnia bezpieczny transfer wartości i możliwość weryfikacji w całej sieci.

Wejścia transakcyjne (Inputs)

Wejścia określają, skąd pochodzą wydawane bitcoiny. Każde wejście wskazuje na konkretne UTXO z poprzedniej transakcji.

1. ID transakcji (TXID) poprzedniego wyjścia: Unikalny identyfikator (hash) transakcji, która utworzyła wydawane właśnie UTXO.
2. Indeks wyjścia (Vout): Numer wskazujący, które konkretnie wyjście z tej poprzedniej transakcji jest wydawane (transakcja może mieć wiele wyjść).
3. Skrypt odblokowujący (ScriptSig): To kluczowa część, która dowodzi własności i autoryzuje wydanie środków. W standardowej transakcji typu pay-to-public-key-hash (P2PKH), ScriptSig zazwyczaj zawiera:
   • Podpis cyfrowy: Generowany przez klucz prywatny nadawcy, podpisujący hash danych bieżącej transakcji. Dowodzi to, że nadawca autoryzował transakcję bez ujawniania swojego klucza prywatnego.
   • Klucz publiczny: Pochodny klucza prywatnego nadawcy. Sieć używa go do weryfikacji podpisu cyfrowego względem hasha klucza publicznego zawartego w skrypcie blokującym poprzedniego UTXO.

Wyjścia transakcyjne (Outputs)

Wyjścia określają, dokąd trafiają bitcoiny i pod jakimi warunkami mogą zostać wydane w przyszłości.

1. Wartość (Value): Ilość bitcoinów (w satoshi, najmniejszej jednostce Bitcoina) wysyłana na to wyjście.
2. Skrypt blokujący (ScriptPubKey): Znany również jako „warunek wydania” lub „hash skryptu”. Skrypt ten definiuje warunki, które muszą zostać spełnione, aby to wyjście mogło zostać wydane w przyszłej transakcji. W standardowym wyjściu P2PKH zawiera on zazwyczaj hash klucza publicznego odbiorcy. Aby wydać to wyjście, odbiorca musi dostarczyć podpis cyfrowy wygenerowany przez klucz prywatny odpowiadający temu hashowi, wraz ze swoim kluczem publicznym.

Inne pola transakcji

Poza wejściami i wyjściami, transakcja Bitcoina zawiera inne istotne informacje:

• Numer wersji (Version Number): Wskazuje wersję struktury danych transakcji, co pozwala na przyszłe aktualizacje protokołu.
• Locktime (lub nLocktime): Opcjonalne pole określające czas lub wysokość bloku, przed którym transakcja nie może zostać dodana do bloku. Może być wykorzystywane w kontraktach blokowanych czasowo. Locktime o wartości 0 (lub mniejszej niż 500 milionów) oznacza, że transakcja może zostać dołączona natychmiast.
• Dane świadka (Witness Data – transakcje SegWit): W transakcjach korzystających z protokołu Segregated Witness (SegWit), dane podpisu (dane świadka) są przechowywane w oddzielnej strukturze, co pomaga zoptymalizować miejsce w bloku i naprawić problem plastyczności transakcji (transaction malleability).

Cała struktura danych transakcji (z wyłączeniem danych świadka w przypadku SegWit) jest następnie hashowana kryptograficznie w celu wytworzenia ID Transakcji (TXID), będącego unikalnym identyfikatorem tej konkretnej operacji.

Konstruowanie i rozgłaszanie transakcji

Gdy decydujesz się wysłać bitcoiny, oprogramowanie Twojego portfela wykonuje kilka krytycznych kroków za kulisami:

1. Wybór UTXO: Portfel skanuje blockchain, aby zidentyfikować wszystkie UTXO możliwe do wydania za pomocą Twoich kluczy prywatnych. Następnie wybiera kombinację tych UTXO, których łączna wartość jest równa lub większa niż kwota, którą chcesz wysłać, powiększona o opłaty transakcyjne.
2. Tworzenie wyjść:
   • Tworzone jest główne wyjście dla adresu odbiorcy, zawierające określoną ilość bitcoinów.
   • Jeśli łączna wartość wybranych UTXO przekracza wysyłaną kwotę plus opłatę, generowane jest „wyjście reszty”. Wysyła ono pozostałą część środków z powrotem na nowy adres kontrolowany przez Twój portfel, co zwiększa prywatność dzięki unikaniu ponownego użycia adresów.
3. Obliczanie opłaty transakcyjnej: Różnica między łączną wartością wejść a łączną wartością wyjść (odbiorca + reszta) staje się opłatą transakcyjną, którą pobiera górnik dołączający transakcję do bloku. Portfele często szacują opłaty na podstawie obciążenia sieci i rozmiaru danych transakcji.
4. Podpisywanie cyfrowe: Każde wejście w transakcji musi zostać cyfrowo podpisane kluczem prywatnym odpowiadającym kluczowi publicznemu, który kontroluje dane UTXO. Proces ten wykorzystuje algorytm podpisu cyfrowego krzywej eliptycznej (ECDSA), generując unikalny podpis dla każdego wejścia na podstawie danych transakcji. Podpis ten dowodzi autoryzacji wydatku przez właściciela bez ujawniania jego klucza prywatnego.
5. Składanie transakcji: Wszystkie te elementy – wybrane wejścia, utworzone wyjścia, podpisy i inne pola – są składane w kompletną strukturę danych transakcji.
6. Rozgłaszanie (Broadcasting): W pełni skonstruowana i podpisana transakcja jest następnie rozgłaszana do sieci Bitcoin.

Walidacja transakcji: Strażnicy sieci

Po otrzymaniu rozgłoszonej transakcji, pełne węzły Bitcoina natychmiast rozpoczynają rygorystyczny proces walidacji przed przekazaniem jej do innych węzłów. Ta wieloetapowa weryfikacja jest kluczowa dla utrzymania integralności sieci i zapobiegania nieprawidłowym lub złośliwym transakcjom.

Oto jak węzły walidują transakcję:

1. Kontrole składniowe i strukturalne:

   • Format: Czy transakcja jest poprawnie sformatowana zgodnie z zasadami protokołu Bitcoin?
   • Rozmiar: Czy mieści się w limitach maksymalnego rozmiaru?
   • Wersja: Czy numer wersji jest prawidłowy?
   • Zakresy wartości: Czy wszystkie wartości (wejścia, wyjścia) mieszczą się w prawidłowych zakresach (np. nie są ujemne, nie przekraczają całkowitej podaży Bitcoina)?
   • Liczba podpisów: Czy liczba podpisów jest poprawna dla danego typu skryptu?

2. Istnienie i status przywoływanych UTXO:

   • Niewydane: Dla każdego wejścia przywoływane UTXO musi istnieć i, co krytyczne, musi być niewydane. Jest to podstawowa obrona przed podwójnym wydawaniem. Węzły sprawdzają swoją lokalną kopię zbioru UTXO (bazę danych wszystkich aktualnie niewydanych wyjść).
   • Dojrzałość: Jeśli UTXO jest nagrodą typu coinbase (z wydobycia bloku), musi ono „dojrzeć” (zazwyczaj 100 bloków), zanim będzie mogło zostać wydane.

3. Weryfikacja skryptu:

   • Dla każdego wejścia węzeł wykonuje proces weryfikacji skryptu. Łączy ScriptSig (z wejścia) z ScriptPubKey (z przywoływanego UTXO). Ten połączony skrypt jest następnie wykonywany przez interpreter skryptów Bitcoina.
   • Skrypt musi zwrócić wartość „TRUE”, aby wejście transakcji było ważne. To tutaj podpis cyfrowy jest weryfikowany względem hasha klucza publicznego określonego w skrypcie blokującym UTXO, co stanowi dowód autoryzacji.

4. Kontrola spójności wartości:

   • Wejścia vs Wyjścia: Suma wszystkich wartości Bitcoina w wejściach musi być większa lub równa sumie wszystkich wartości w wyjściach.
   • Brak kreacji nowych Bitcoinów: Nowe bitcoiny nie mogą powstać z niczego. Różnica między wejściami a wyjściami to opłata transakcyjna, która trafia do górnika.

5. Kontrola Locktime: Jeśli określono nLocktime, transakcja może zostać dołączona do bloku dopiero po przekroczeniu przez bieżącą wysokość bloku lub czas wartości nLocktime.

Dopiero po pomyślnym przejściu wszystkich tych testów transakcja zostaje uznana za ważną. Prawidłowe transakcje są następnie dodawane do puli pamięci węzła (mempool) i przekazywane do innych połączonych węzłów.

Włączenie do bloku: Droga do potwierdzenia

Zwalidowane transakcje czekają w mempoolu na włączenie do bloku. Tutaj do gry wkracza mining (wydobycie):

1. Wybór przez górnika: Górnicy Bitcoina stale monitorują mempool, wybierając transakcje do włączenia do nowego bloku, który próbują wydobyć. Priorytetowo traktują transakcje z wyższymi opłatami za bajt, ponieważ zwiększa to ich potencjalną nagrodę.
2. Konstrukcja bloku: Górnik składa blok kandydujący zawierający nagłówek (ze szczegółami takimi jak hash poprzedniego bloku, znacznik czasu, cel trudności i korzeń Merkle transakcji) oraz wybrane transakcje.
3. Proof-of-Work: Górnik wykonuje następnie intensywną pracę obliczeniową, próbując znaleźć „nonce” (liczbę losową), która po połączeniu z danymi nagłówka bloku i zhashowaniu daje wynik poniżej aktualnego celu trudności sieci. Jest to „Dowód Wykonanej Pracy” (Proof-of-Work – PoW).
4. Propagacja bloku: Gdy górnik znajdzie prawidłowy nonce, rozgłasza nowo wydobyty blok do sieci.
5. Walidacja bloku: Inne węzły otrzymują blok i szybko weryfikują jego poprawność:
   • Czy nagłówek bloku zawiera prawidłowy Proof-of-Work?
   • Czy wszystkie transakcje w bloku są indywidualnie ważne i niewydane (sprawdzenie względem zbioru UTXO)?
   • Czy blok jest zgodny ze wszystkimi zasadami konsensusu (np. limit rozmiaru bloku, prawidłowa transakcja coinbase)?
6. Potwierdzenie: Jeśli blok jest prawidłowy, węzły dodają go do swojej kopii blockchaina. W tym momencie transakcje w tym bloku otrzymują swoje pierwsze „potwierdzenie”. W miarę wydobywania kolejnych bloków nad tym blokiem, transakcja zyskuje kolejne potwierdzenia, co czyni ją coraz bardziej nieodwracalną i bezpieczną. Sprzedawcy i giełdy zazwyczaj czekają na określoną liczbę potwierdzeń (np. 6), zanim uznają transakcję za ostateczną.

Opłaty transakcyjne: Paliwo sieci

Opłaty transakcyjne są integralną częścią ekosystemu Bitcoin, służąc dwóm podstawowym celom:

1. Motywowanie górników: Opłaty rekompensują górnikom ich wysiłek obliczeniowy i zabezpieczają sieć. Bez opłat górnicy mieliby mniejszą motywację do przetwarzania transakcji, gdy nagroda za blok z czasem zmaleje.
2. Zapobieganie spamowi: Opłaty zniechęcają złośliwe podmioty do zalewania sieci ogromną liczbą drobnych, nieistotnych ekonomicznie transakcji, które w przeciwnym razie konsumowałyby zasoby sieciowe.

Opłaty transakcyjne nie zależą od ilości przesyłanych bitcoinów, lecz od rozmiaru danych transakcji (w bajtach) i aktualnego obciążenia sieci. Portfele zazwyczaj obliczają opłaty na podstawie stawki „satoshi na bajt”. Gdy sieć jest zajęta, stawka ta ma tendencję do wzrostu, ponieważ użytkownicy rywalizują o miejsce w bloku, oferując wyższe opłaty.

Przykład ilustracyjny: Alicja płaci Bobowi

Prześledźmy prostą transakcję: Alicja chce wysłać 0,5 BTC do Boba.

1. Skanowanie portfela Alicji: Portfel Alicji identyfikuje, że posiada ona dwa UTXO:

   • UTXO A: 0,3 BTC (z poprzedniej transakcji z Karolem)
   • UTXO B: 0,4 BTC (z poprzedniej transakcji z Dawidem)
   • Łącznie do wydania: 0,7 BTC

2. Wybór UTXO: Aby wysłać 0,5 BTC, jej portfel musi pokryć tę kwotę plus opłatę. Decyduje się użyć UTXO B (0,4 BTC) i UTXO A (0,3 BTC), co daje łącznie 0,7 BTC.

3. Konstrukcja transakcji:

   • Wejścia:
     • Wejście 1: Odwołuje się do UTXO A (0,3 BTC), zawiera podpis Alicji dla UTXO A.
     • Wejście 2: Odwołuje się do UTXO B (0,4 BTC), zawiera podpis Alicji dla UTXO B.
   • Wyjścia:
     • Wyjście 1: 0,5 BTC na hash klucza publicznego Boba.
     • Wyjście 2 (Reszta): Alicja oblicza opłatę. Jeśli stawka sieciowa sugeruje opłatę 0,0001 BTC dla tego rozmiaru transakcji, to 0,7 BTC (wejścia) - 0,5 BTC (dla Boba) - 0,0001 BTC (opłata) = 0,1999 BTC. Te 0,1999 BTC jest wysyłane z powrotem na nowy adres kontrolowany przez portfel Alicji.

4. Podpisanie i rozgłoszenie: Portfel Alicji podpisuje transakcję kryptograficznie, a następnie rozgłasza ją w sieci Bitcoin.

5. Walidacja sieciowa: Pełne węzły otrzymują transakcję:

   • Weryfikują, czy UTXO A i UTXO B istnieją i rzeczywiście są niewydane.
   • Wykonują skrypty, weryfikując podpisy Alicji względem hashy kluczy publicznych w oryginalnych skryptach blokujących UTXO A i UTXO B.
   • Sprawdzają, czy wejścia (0,7 BTC) >= wyjścia (0,5 BTC + 0,1999 BTC). Różnica, 0,0001 BTC, jest domniemaną opłatą.
   • Jeśli wszystkie testy zakończą się pomyślnie, transakcja trafia do mempoola.

6. Wydobycie i potwierdzenie: Górnik wybiera tę transakcję (wraz z innymi) do nowego bloku. Po znalezieniu prawidłowego Proof-of-Work, blok zostaje dodany do blockchaina. Transakcja Alicji otrzymuje pierwsze potwierdzenie, a Bob staje się właścicielem 0,5 BTC w postaci nowego UTXO.

Trwała siła modelu transakcyjnego Bitcoina

Projekt podstawowego mechanizmu transakcyjnego Bitcoina, skoncentrowany wokół UTXO i solidnej walidacji kryptograficznej, zapewnia fundamentalne zalety, które leżą u podstaw jego wartości:

• Bezpieczeństwo: Podpisy cyfrowe i mechanizm Proof-of-Work gwarantują, że transakcje są faktycznie autoryzowane i praktycznie nieodwracalne po potwierdzeniu, co zapobiega oszustwom i podwójnemu wydawaniu.
• Decentralizacja: Żaden pojedynczy podmiot nie może jednostronnie zatwierdzić ani odrzucić transakcji. Węzły sieci niezależnie walidują je zgodnie z uzgodnionymi zasadami.
• Przejrzystość i audytowalność: Choć system jest pseudonimowy, każda transakcja jest publicznie rejestrowana w blockchainie, co pozwala każdemu zweryfikować przepływ wartości.
• Zapobieganie podwójnemu wydawaniu: Model UTXO i ogólnosieciowa walidacja niewydanych wyjść sprawiają, że niezwykle trudno jest wydać tego samego Bitcoina dwukrotnie – był to problem nieodłącznie związany z walutami cyfrowymi przed powstaniem Bitcoina.

Ten precyzyjny taniec wyboru UTXO, wykonywania skryptów, podpisywania kryptograficznego i zdecentralizowanej walidacji sprawia, że każda transakcja Bitcoina jest bezpiecznym, weryfikowalnym i niezmiennym zapisem transferu wartości, tworząc odporny szkielet całej sieci Bitcoin.