The Times 03/Jan/2009 Chancellor on brink of second bailout for banks.
2008 年金融危机的海啸席卷全球，同年 11 月，化名中本聪的「神秘人」发表了论文《比特币：一种点对点式的电子现金系统》（Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System），并
在次年挖出了第一个区块同时获得了 50 比特币的奖励。这一创世区块中，中本聪写下了本文的开头「2009 年 1 月 3 日，财政大臣正处于第二轮银行紧急援助的边缘」，这也是当日《泰晤士报》的头版文章标题。
一个新的时代就此诞生，而笔者将通过这篇文章从最基本的货币交易切入，围绕着比特币的重要特性，最终深入去中心化的思想。本文尽量从设计的角度出发，精简出区块链的核心理念，避免让读者过度纠结于实现细节或可以作为参考资料的前置知识。那么现在就让我们进入一个神奇的共识世界！
货币之困
在深入比特币前，我们还是先讨论下纸币和传统电子货币（例如支付宝上的交易），笔者在这抛出几个问题供读者思考：
- 如何相信交易的货币是真实的，而不是伪造的？
- 如何确保一个人持有的纸币/数字货币，只能在一个交易中被使用，而不同时支付两笔交易呢（俗称「双花」问题）？
- 如何确保我持有的货币，不会被其他人冒认，被声明属于其他人呢？
我们分类进行讨论
传统纸币
对于最简单的纸币交易模型，Alice 将自己拥有的 100 元纸币面对面支付给 Bob：
- 通常会使用水印，凹印等印刷技术来进行防伪。
- 纸币交易的物理特性保证了同一张纸币只能转移给一个人。
- 物理意义的持有存储保证了纸币不会被他人冒认。
传统电子货币
对于传统的数字货币，存在一个中心化的支付系统用来管理交易，Alice 和 Bob 各自在中心交易系统上拥有 MA 和 MB 的存款储蓄，Alice 向 Bob 发起一笔交易，但实际动作是由中心系统 X 来完成的：
显而易见，可信的中心交易系统是最为重要的
- 货币的真实性由中心系统 X 来保证。
- 双花问题由中心系统 X 保证，Alice 发起多笔交易时由 X 校验其账号余额是否足够。
- 一般由 X 进行对交易的身份校验，确保交易是由 Alice 发起的（例如密码，人脸验证等）。
区块链货币
对于基于区块链的电子货币，其交易模型又发生了巨大的改变：
每一个区块链账户的拥有者都持有一个账本，其中记录了所有参与者的合法交易，当 Alice 向 Bob 发起一笔 100 元的转账时，Alice，Bob，Charlie 三个参与者的账户同时记录了这笔交易。在这样一个去中心化的交易模型中，没有一个必须的可信第三方参与，这就避免了中心交易所对交易的篡改，审计。人人都是参与者，人人都是监督者，每个人「确实」的拥有属于自己的财富，这也是区块链设计哲学的基本出发点之一。
那么如何回答之前提到的三个问题，如何保证每个人账户的一致性，如何确保交易的合理性，等等在中心化交易中可以轻松解决的问题，都需要重新设计来谋求真正的「人人可信」，带着这些疑问让我们进入下一章。
拜占庭问题
在分布式系统中有一个经典而有趣的问题：拜占庭将军攻城问题。简化条件来分析，有三个将军商量攻城，不能相互见面只能通过信使沟通，大于一半的将军选择攻城才会胜利，否则攻城就会失败。将军中可能出现叛徒，叛徒可以任意发出攻城或撤退的命令，甚至不发出命令。
例一：三个都是忠诚，其中一个发出撤退命令，另外两个发出攻击命令，最终三个将军都决定攻城，达成一致意见。
例二：两个忠诚，一个叛徒。叛徒对其中一个发出进攻命令，另一个发出撤退命令，自己选择撤退，那么只有一个忠诚发起进攻导致了失败，没有达成一致。
这就是存在消息篡改或伪造（也称为拜占庭节点）的分布式场景中，如何达成系统最终共识一致的问题，将其复杂化也就是上文所说的在分布式场景中，多个用户如何对一份账本达成一致的问题。经过数学推导，可以得知当叛徒大于等于三分之一时将永远无法达成共识，具体推导可以阅读：拜占庭问题阈值3f+1推导，这也是各类拜占庭算法实现的大前提。
关于分布式协议有众多的场景和算法，针对是否存在拜占庭节点我们可以大致分为两类：
经过对现实世界中复杂问题的抽象，我们可以精简出算法实现的目标，并针对具体的应用场景进行设计，接下来我们就针对比特币的基础 POW 共识算法进行分析，来让读者体会到中本聪的精妙设计。
前置知识
在谈及比特币之前，笔者假设读者已经拥有了一定的密码学和网络知识基础，比特币正是基于这些基础工具组合设计出来的，这里笔者不展开具体的技术细节，有需要的读者自行点击链接阅读或者 Google 搜索。
P2P网络（例如迅雷，BT下载）
区块链的基本结构：每个人维护一个「账本」，「账本」结构由一个一个区块构成的有序链表，每一个区块都记录了一系列交易，并且，每个区块都指向前一个区块（通过前一个区块的Hash值），从而形成一个链条。
去中心化交易
我们先简单看一次比特币（去中心化）的交易过程：
小明想要转账 10000 元给小红
首先小明创建一对非对称密钥，并通过 P2P 网络将其公钥进行广播
小明使用自己的私钥对「小明付款给小红1万元」这句话签名，并通过P2P协议广播出去，任何人都可通过小明的公钥验证这句话确实是小明发出的，并且这个消息不会被篡改。
收到通知的参与节点在自己的账本中记录下这笔交易。此时有的请求是正常的交易，但有的交易确是双花的，两部分参与者可能记录了双花中的任意一笔，这就是导致了整个系统的账本不能达成一致，那么究竟该怎么决定账本的统一更新呢？这就交由比特币中最为核心的共识算法。
我们稍微回顾一下目前为止，比特币通过数字签名（例如 ESDSA）解决了
- 信息发送的身份追溯，也就是由谁发起的这笔交易；
- 信息的私密性；
- 不可伪造的签名；
那么剩下的就是如何让大家达成一致的共识问题，避免双花等账本不一致的问题。
共识算法 POW
工作量
POW 中文名为工作量证明算法，举个简单的例子：通过改变随机数 nonce，能够获得不同的 hash 值，首位为 0 的可能性时 1/16，所以大致得到一个首位为 0 的hash值需要算 16 次，前置 0 越多，越难算出来，比特币设置在 0 到 2 的 256 次方进行调整难度。
1 | hash256("Hello1") = ffb7a43d629d363026b3309586233ab7ffc1054c4f56f43a92f0054870e7ddc9 |
挖矿与收益
有了这么一个如何表示工作量的前提，那么我们可以描述一个熟知的名词——「挖矿」。比特币设置一个 target 目标，要求 hash 值小于 target 为挖矿成功，矿工通过改变随机值来暴力遍历找到合适的 nonce（这个过程根据全网算力调整，平均为10分钟算出一个）。
挖出一个区块，可以奖励给矿工一定量的 btc（交易小费 + 基础奖励），这个奖励通过交易的方式 coinbase，交易输出地址是矿工自己的公钥地址，矿工将这笔交易写在第一个交易。奖励的定义如下：
- 交易小费：根据交易数据大小按照一定公式进行计算。
- 基础奖励：2016年12.5个，每四年减半，2140年挖完2100万个 btc。
目前矿工的收益主要还是来自基础奖励，当2140年挖完最后一块 btc 时，挖矿的收益将只有交易小费构成。
组装区块
矿工在挖矿时会将广播收到的「有效交易信息」进行组装，一般使用二叉哈希树的形式来快速验证交易是否存在。成功挖出区块后会将交易信息，目标值 target，nonce 随机数，前一个区块的 hash 等数据组成一个新的区块。
广播区块
挖出区块的矿工会通过 P2P 网络立刻进行广播，其他节点验证通过后，会放弃本轮自己的挖矿，并将收到的成功区块更新到自己的本地账本中，下图中其他节点都将绿色区块更新到自己的最新账本上。
分叉问题
显而易见，我们看到可能存在在同一轮挖矿竞赛中，出现两个甚至多个节点都算出 nonce 满足并进行广播，因为网络延迟等因素，不同部分的节点收到的区块可能不同，那么究竟是按照哪个区块为准呢？比特币节点总是以「最长」的链为正确的，下面举例进行说明：
在这一轮挖矿中基础区块时五角星，有两个节点同时算出来区块，结果分别是正三角和倒三角，广播给其他节点：
此时节点产生分叉，有的节点先收到正三角，有的先收到倒三角，但是节点将两个块都保存记录下来。
分区域计算：先收到正三角的节点以正三角为基准计算下一个区块，先收到倒三角的区块以倒三角为基准作为区块。此时有一个以正三角的节点算出了下一个区块棱形，并进行广播。
分支合并：菱形被广播出去，倒三角的节点比较两个分叉的工作量，正三角-棱形分支工作量 > 倒三角。替换主链为正三角-棱形分支，将倒三角认为为次链，除非倒三角后面的链接长度反超，才会被更新回去。但是因为挖矿计算的难度，当计算了6个区块后的深度，几乎是不可能被修改的，因为全网的总计算量不够来修改。
同时计算出同一个区块可能每天出现，但是两次分叉的情况因为算力问题可能几周才会出现一次。因此比特币就是通过 降低了区块产生的频率（交易确认的频率），来减少分叉数据不一致的可能性；通过工作量的难度，避免了交易被否认。从分布式 CAP 原理来看就是牺牲了一定的一致性 C，保证了可用性 A 和分区容错性 P，有兴趣的读者可以深入了解一下 CAP 相关的知识。
通过以上的一些列操作，这就保证了整个比特币系统的稳定统一性，避免了双花等交易共识不一致问题，只要符合拜占庭容错恶意节点不要超过 1/3，那么整个系统的账本总能保持一致安全的活性，支持系统内交易的正常进行。
衍生安全问题
关于区块链的安全攻击问题不是本文的重点，暂时列举几个常见的例子，后续的文章中会进行更加详细的阐述：
- 密钥泄漏：私钥被窃取。
- 51%攻击：掌握大量算力，创建一个高度更高的链来覆盖原来的链
- 中心化交易中心受到攻击。
- ……
回顾总结
通过前文对比特币核心思想和算法的分析解释，我们可以看出中本聪对未来金融，乃至世界的前瞻看法，「人人可信，去中心化，共识机制，不可篡改，分布式……」等自由的核心理念透出了其中的设计哲学。基于区块链，每个人都可以切实的拥有属于自己应该拥有的，而不必须交由第三方进行保管，往后的以太坊， Web3.0 等等新概念都是基于这些基础的设计思想诞生的。
笔者常常认为一个优秀的架构更像是一件艺术品，当阅读并理解比特币后，更加惊叹其中的瑰丽思想与巧妙设计，区块链的世界已经为我们打开！