Hoe werkt de basistransactie van Bitcoin?

De Bitcoin-transactie ontleed: Het fundament van digitale waardeoverdracht

In de kern werkt Bitcoin op een eenvoudig, maar geniaal ontworpen systeem van waardeoverdracht. In tegenstelling tot traditioneel bankieren, waarbij rekeningen saldi aanhouden, functioneert Bitcoin meer als een digitaal contant geldsysteem, waarbij elke eenheid van waarde wordt getraceerd via een reeks transacties. Dit fundamentele mechanisme, vaak aangeduid als een "basistransactie", is de hoeksteen waarop het gehele Bitcoin-netwerk is gebouwd. Begrijpen hoe deze transacties zijn gestructureerd, gevalideerd en vastgelegd, is cruciaal voor het doorgronden van de veiligheid, integriteit en operationele principes van 's werelds eerste en grootste cryptocurrency.

Het Unspent Transaction Output (UTXO) model: Digitaal contant geld in actie

Om te begrijpen hoe Bitcoin-transacties werken, moet men eerst het concept van een Unspent Transaction Output, of UTXO, begrijpen. Dit model is een paradigmaverschuiving ten opzichte van traditionele, op rekeningen gebaseerde systemen en staat centraal in het ontwerp van Bitcoin.

Stel je fysiek contant geld in je portemonnee voor: je hebt geen "rekeningsaldo" aan contanten; in plaats daarvan bezit je specifieke biljetten van verschillende coupures (bijv. een briefje van $10, een briefje van $20). Wanneer je ergens voor wilt betalen, gebruik je deze specifieke biljetten. Als een item $15 kost en je betaalt met een briefje van $20, ontvang je $5 wisselgeld – een nieuw biljet.

Het UTXO-model van Bitcoin werkt op een vergelijkbare manier:

• Geen rekeningsaldi: Bitcoin-wallets houden technisch gezien geen "saldo" bij in de conventionele zin. In plaats daarvan beheren ze een verzameling UTXO's die "uitgeefbaar" zijn met de privésleutels van de wallet.
• Discrete eenheden van waarde: Elke UTXO vertegenwoordigt een specifiek, onuitgegeven bedrag aan Bitcoin dat een output was van een eerdere transactie. Het is als een digitaal biljet of muntstuk.
• UTXO's uitgeven: Wanneer je een transactie initieert, selecteert je wallet een of meer UTXO's die je bezit om het bedrag te dekken dat je wilt verzenden. Deze geselecteerde UTXO's worden volledig verbruikt (uitgegeven) als inputs voor je nieuwe transactie.
• Nieuwe UTXO's gecreëerd: De transactie genereert vervolgens nieuwe UTXO's als outputs:
  • Eén UTXO voor de ontvanger, met daarin het bedrag dat je hebt verzonden.
  • Optioneel een andere UTXO (de "change output" of wisselgeld-output) die teruggestuurd wordt naar je eigen wallet voor het resterende bedrag van de verbruikte UTXO's dat niet naar de ontvanger is gestuurd of als fee is betaald.

Dit UTXO-model biedt verschillende voordelen, waaronder verbeterde privacy (omdat transacties niet expliciet gekoppeld zijn aan gebruikersaccounts, alleen aan publieke sleutels), verbeterde beveiliging tegen double-spending en grotere schaalbaarheid door parallelle verwerking van transacties. Het zorgt ervoor dat elke Bitcoin-eenheid verantwoord is en traceerbaar vanaf de oorsprong (mining) door de gehele transactiegeschiedenis heen.

De anatomie van een Bitcoin-transactie

Elke Bitcoin-transactie is een datastructuur die bestaat uit verschillende sleutelcomponenten. Deze structuur zorgt ervoor dat waarde veilig kan worden overgedragen en geverifieerd over het netwerk.

Transactie-inputs

Inputs specificeren waar de Bitcoin die wordt uitgegeven vandaan komt. Elke input verwijst naar een specifieke UTXO van een eerdere transactie.

1. Transaction ID (TXID) van de vorige output: Een unieke identificatiecode (hash) van de transactie die de UTXO creëerde die nu wordt uitgegeven.
2. Output Index (Vout): Een nummer dat aangeeft welke specifieke output van die vorige transactie wordt uitgegeven (een transactie kan meerdere outputs hebben).
3. Unlocking Script (ScriptSig): Dit is het cruciale onderdeel dat eigendom bewijst en de uitgave autoriseert. Voor een standaard pay-to-public-key-hash (P2PKH) transactie bevat de ScriptSig doorgaans:
   • Digitale handtekening: Gegenereerd door de privésleutel van de afzender, waarmee een hash van de huidige transactiegegevens wordt ondertekend. Dit bewijst dat de afzender de transactie heeft geautoriseerd zonder hun privésleutel te onthullen.
   • Publieke sleutel: Afgeleid van de privésleutel van de afzender. Het netwerk gebruikt dit om de digitale handtekening te verifiëren tegen de hash van de publieke sleutel die is ingebed in het locking script van de vorige UTXO.

Transactie-outputs

Outputs specificeren waar de Bitcoin naartoe gaat en onder welke voorwaarden deze in de toekomst kan worden uitgegeven.

1. Waarde: De hoeveelheid Bitcoin (in satoshis, de kleinste eenheid van Bitcoin) die naar deze output wordt verzonden.
2. Locking Script (ScriptPubKey): Ook wel bekend als een "spending condition" of "script hash", dit script definieert de voorwaarden waaraan moet worden voldaan om deze output in een toekomstige transactie uit te geven. Voor een standaard P2PKH-output bevat dit doorgaans de hash van de publieke sleutel van de ontvanger. Om deze output uit te geven, moet de ontvanger een digitale handtekening verstrekken die is gegenereerd door de privésleutel die overeenkomt met deze publieke sleutel-hash, samen met hun publieke sleutel.

Andere transactievelden

Naast inputs en outputs bevat een Bitcoin-transactie andere essentiële informatie:

• Versienummer: Geeft de versie van de transactiedatastructuur aan, wat toekomstige protocol-upgrades mogelijk maakt.
• Locktime (of nLocktime): Een optioneel veld dat een tijdstip of blokhoogte specificeert waarvóór een transactie niet aan een blok kan worden toegevoegd. Dit kan worden gebruikt voor time-locked contracten. Een locktime van 0 (of minder dan 500 miljoen) betekent dat de transactie onmiddellijk kan worden opgenomen.
• Witness Data (SegWit-transacties): Voor transacties die het Segregated Witness (SegWit) protocol gebruiken, worden handtekeninggegevens (witness data) opgeslagen in een aparte structuur. Dit helpt de blokruimte te optimaliseren en lost problemen met transactie-malleability op.

De volledige transactiedatastructuur (exclusief witness data voor SegWit) wordt vervolgens cryptografisch gehasht om de Transaction ID (TXID) te produceren, een unieke identificatiecode voor die specifieke transactie.

Een transactie construeren en uitzenden

Wanneer je besluit Bitcoin te verzenden, voert je wallet-software achter de schermen verschillende kritieke stappen uit:

1. UTXO-selectie: Je wallet scant de blockchain om alle UTXO's te identificeren die uitgeefbaar zijn met jouw privésleutels. Vervolgens selecteert het een combinatie van deze UTXO's waarvan de totale waarde gelijk is aan of groter is dan het bedrag dat je wilt verzenden, plus eventuele transactiekosten.
2. Output-creatie:
   • Er wordt een primaire output gemaakt voor het adres van de ontvanger, met daarin het gespecificeerde Bitcoin-bedrag.
   • Als de totale waarde van de geselecteerde UTXO's hoger is dan het verzonden bedrag plus de fee, wordt er een "change output" gegenereerd. Deze output stuurt het restant terug naar een nieuw adres dat door jouw wallet wordt beheerd, wat de privacy bevordert door adressen niet te hergebruiken.
3. Berekening van transactiekosten: Het verschil tussen de totale waarde van de inputs en de totale waarde van de outputs (ontvanger + wisselgeld) wordt de transactie-fee, die wordt geïnd door de miner die de transactie in een blok opneemt. Wallets schatten fees vaak in op basis van netwerkdrukte en de omvang van de transactiegegevens.
4. Digitale ondertekening: Elke input in de transactie moet digitaal worden ondertekend door de privésleutel die hoort bij de publieke sleutel die de respectievelijke UTXO beheert. Dit ondertekeningsproces maakt gebruik van het Elliptic Curve Digital Signature Algorithm (ECDSA), waarbij voor elke input een unieke handtekening wordt gegenereerd op basis van de transactiegegevens. Deze handtekening bewijst dat de eigenaar de uitgave heeft geautoriseerd zonder hun privésleutel te onthullen.
5. Transactie-assemblage: Al deze componenten – geselecteerde inputs, gecreëerde outputs, handtekeningen en andere velden – worden samengevoegd tot een complete transactiedatastructuur.
6. Broadcasting: De volledig geconstrueerde en ondertekende transactie wordt vervolgens uitgezonden (broadcast) naar het Bitcoin-netwerk.

Transactievalidatie: De poortwachters van het netwerk

Bij ontvangst van een uitgezonden transactie beginnen Bitcoin full nodes onmiddellijk aan een rigoureus validatieproces voordat ze deze doorsturen naar andere nodes. Deze meerstapsverificatie is cruciaal voor het handhaven van de integriteit van het netwerk en het voorkomen van ongeldige of kwaadaardige transacties.

Hier ziet u hoe nodes een transactie valideren:

1. Syntactische en structurele controles:

   • Formaat: Is de transactie correct geformatteerd volgens de regels van het Bitcoin-protocol?
   • Grootte: Houdt de transactie zich aan de maximale groottelimieten?
   • Versie: Is het versienummer geldig?
   • Waardebereiken: Liggen alle waarden (inputs, outputs) binnen geldige bereiken (bijv. niet negatief, de totale Bitcoin-voorraad niet overschrijdend)?
   • Aantal handtekeningen: Is het aantal handtekeningen correct voor het type script dat wordt gebruikt?

2. Bestaan en status van gerefereerde UTXO's:

   • Unspent: Voor elke input moet de gerefereerde UTXO bestaan en, cruciaal, onuitgegeven zijn. Dit is de primaire verdediging tegen double-spending. Nodes controleren hun lokale kopie van de UTXO-set (een database van alle momenteel onuitgegeven outputs).
   • Maturity: Als de UTXO een coinbase-beloning is (van het minen van een blok), moet deze gerijpt zijn (meestal 100 blokken) voordat deze kan worden uitgegeven.

3. Scriptverificatie:

   • Voor elke input voert de node een scriptverificatieproces uit. Het combineert de ScriptSig (van de input) met de ScriptPubKey (van de gerefereerde UTXO). Dit gecombineerde script wordt vervolgens uitgevoerd door de Bitcoin Script-interpreter.
   • Het script moet resulteren in "TRUE" om de transactie-input geldig te laten zijn. Dit is waar de digitale handtekening wordt geverifieerd tegen de publieke sleutel-hash die is opgegeven in het locking script van de UTXO, wat de autorisatie bewijst.

4. Consistentiecontroles van waarde:

   • Inputs vs. Outputs: De som van alle Bitcoin-waarden in de inputs moet groter zijn dan of gelijk zijn aan de som van alle waarden in de outputs.
   • Geen nieuwe Bitcoin: Er kan geen nieuwe Bitcoin uit het niets worden gecreëerd. Het verschil tussen inputs en outputs is de transactie-fee, die naar de miner gaat.

5. Locktime-controle: Als er een nLocktime is gespecificeerd, kan de transactie pas in een blok worden opgenomen zodra de huidige blokhoogte of tijd de nLocktime-waarde heeft overschreden.

Pas nadat al deze controles zijn doorstaan, wordt een transactie als geldig beschouwd. Geldige transacties worden vervolgens toegevoegd aan de memory pool (mempool) van de node en doorgestuurd naar andere verbonden nodes.

Opname in een blok: De weg naar bevestiging

Gevalideerde transacties wachten in de mempool op opname in een blok. Dit is waar Bitcoin mining een rol speelt:

1. Miner-selectie: Bitcoin-miners monitoren continu de mempool en selecteren transacties om op te nemen in het nieuwe blok dat ze proberen te minen. Miners geven prioriteit aan transacties met hogere fees per byte, omdat dit hun potentiële beloning verhoogt.
2. Blokconstructie: De miner stelt een kandidaat-blok samen met een header (met details zoals de hash van het vorige blok, tijdstempel, moeilijkheidsgraad en de Merkle-root van de transacties) en de gekozen transacties.
3. Proof-of-Work: De miner voert vervolgens intensief computationeel werk uit door te proberen een "nonce" (een willekeurig getal) te vinden die, wanneer gecombineerd met de blokheader-gegevens en gehasht, een resultaat oplevert dat onder het huidige moeilijkheidsdoel van het netwerk ligt. Dit is de "Proof-of-Work" (PoW).
4. Blokpropagatie: Zodra een miner een geldige nonce vindt, zendt hij het nieuw geminede blok uit naar het netwerk.
5. Blokvalidatie: Andere nodes ontvangen het blok en verifiëren snel de geldigheid ervan:
   • Bevat de blokheader een geldige Proof-of-Work?
   • Zijn alle transacties in het blok individueel geldig en onuitgegeven (gecontroleerd tegen hun huidige UTXO-set)?
   • Voldoet het blok aan alle consensusregels (bijv. blokgroottelimiet, geldige coinbase-transactie)?
6. Bevestiging (Confirmation): Als het blok geldig is, voegen nodes het toe aan hun kopie van de blockchain. Op dit punt ontvangen de transacties in dat blok hun eerste "bevestiging". Naarmate er meer blokken bovenop dit blok worden gemined, krijgt de transactie meer bevestigingen, waardoor deze steeds onomkeerbaarder en veiliger wordt. Handelaren en exchanges wachten meestal op een bepaald aantal bevestigingen (bijv. 6) voordat ze een transactie als definitief beschouwen.

Transactiekosten: De brandstof van het netwerk

Transactiekosten (fees) zijn een integraal onderdeel van het Bitcoin-ecosysteem en dienen twee hoofddoelen:

1. Miners stimuleren: Fees compenseren miners voor hun computationele inspanningen en beveiligen het netwerk. Zonder fees zouden miners minder stimulans hebben om transacties te verwerken zodra de blokbeloning (block reward) uiteindelijk afneemt.
2. Netwerkspam voorkomen: Fees ontmoedigen kwaadwillenden om het netwerk te overspoelen met een groot aantal kleine, economisch onbeduidende transacties die anders netwerkbronnen zouden verbruiken.

Transactiekosten zijn niet gebaseerd op de hoeveelheid Bitcoin die wordt overgedragen, maar op de omvang van de transactiegegevens (in bytes) en de huidige netwerkdrukte. Wallets berekenen fees meestal op basis van een "satoshi per byte" tarief. Wanneer het netwerk druk is, stijgt dit tarief doordat gebruikers om blokruimte concurreren door hogere fees te bieden.

Een illustratief voorbeeld: Alice betaalt Bob

Laten we een eenvoudige transactie volgen: Alice wil 0,5 BTC naar Bob sturen.

1. Alice's wallet-scan: De wallet van Alice identificeert dat ze twee UTXO's heeft:

   • UTXO A: 0,3 BTC (van een eerdere transactie met Charlie)
   • UTXO B: 0,4 BTC (van een eerdere transactie met David)
   • Totaal uitgeefbaar: 0,7 BTC

2. UTXO-selectie: Om 0,5 BTC te verzenden, moet haar wallet dat bedrag plus een fee dekken. De wallet besluit UTXO B (0,4 BTC) en UTXO A (0,3 BTC) te gebruiken, in totaal 0,7 BTC.

3. Transactieconstructie:

   • Inputs:
     • Input 1: Verwijst naar UTXO A (0,3 BTC), bevat Alice's handtekening voor UTXO A.
     • Input 2: Verwijst naar UTXO B (0,4 BTC), bevat Alice's handtekening for UTXO B.
   • Outputs:
     • Output 1: 0,5 BTC naar de publieke sleutel-hash van Bob.
     • Output 2 (Wisselgeld): Alice berekent de fee. Als het netwerktarief een fee van 0,0001 BTC impliceert voor deze transactiegrootte, dan geldt: 0,7 BTC (inputs) - 0,5 BTC (naar Bob) - 0,0001 BTC (fee) = 0,1999 BTC. Deze 0,1999 BTC wordt teruggestuurd naar een nieuw adres dat door Alice's wallet wordt beheerd.

4. Ondertekening en uitzending: De wallet van Alice ondertekent de transactie cryptografisch en zendt deze vervolgens uit naar het Bitcoin-netwerk.

5. Netwerkvalidatie: Full nodes ontvangen de transactie:

   • Ze verifiëren dat UTXO A en UTXO B bestaan en inderdaad onuitgegeven zijn.
   • Ze voeren de scripts uit en verifiëren Alice's handtekeningen tegen de publieke sleutel-hashes in de originele locking scripts van UTXO A en UTXO B.
   • Ze controleren of de inputs (0,7 BTC) >= de outputs (0,5 BTC + 0,1999 BTC) zijn. Het verschil, 0,0001 BTC, is de impliciete fee.
   • Als alle controles slagen, wordt de transactie toegevoegd aan de mempool.

6. Mining en bevestiging: Een miner selecteert deze transactie (samen met andere) voor een nieuw blok. Na het vinden van een geldige Proof-of-Work wordt het blok toegevoegd aan de blockchain. De transactie van Alice ontvangt haar eerste bevestiging en Bob bezit nu de 0,5 BTC als een nieuwe UTXO.

De blijvende kracht van het transactiemodel van Bitcoin

Het ontwerp van het basistransactiemechanisme van Bitcoin, gecentreerd rond UTXO's en robuuste cryptografische validatie, biedt fundamentele voordelen die de waardepropositie ondersteunen:

• Beveiliging: Digitale handtekeningen en het Proof-of-Work-mechanisme zorgen ervoor dat transacties echt geautoriseerd zijn en praktisch onomkeerbaar zodra ze zijn bevestigd, wat fraude en double-spending voorkomt.
• Decentralisatie: Geen enkele entiteit kan eenzijdig transacties goedkeuren of weigeren. Netwerknodes valideren onafhankelijk volgens overeengekomen regels.
• Transparantie en controleerbaarheid: Hoewel pseudoniem, wordt elke transactie publiekelijk vastgelegd op de blockchain, waardoor iedereen de beweging van waarde kan verifiëren.
• Voorkomen van Double-Spending: Het UTXO-model en de netwerkbrede validatie van onuitgegeven outputs maken het extreem moeilijk om dezelfde Bitcoin twee keer uit te geven, een probleem dat inherent was aan digitale valuta vóór Bitcoin.

Dit nauwgezette samenspel van UTXO-selectie, scriptuitvoering, cryptografische ondertekening en gedecentraliseerde validatie zorgt ervoor dat elke Bitcoin-transactie een veilig, verifieerbaar en onveranderlijk record is van waardeoverdracht, en vormt daarmee de veerkrachtige ruggengraat van het gehele Bitcoin-netwerk.