本期重点介绍比特币白皮书，对其有所了解的读者可以跳过。
最后，上一期提到中本聪在2008年发明了比特币(次年正式推出创世区块)，那么比特币到底是什么？我们先来看看中本聪自己在白皮书中的说法：完全由点对点技术实现的电子现金系统。它使网上支付能够由一方直接发起，支付给另一方，中间不经过任何金融机构。综上所述，比特币是一个去中心化的P2P支付系统。重点是点对点的电子支付系统已经存在很久了，比特币和传统P2P支付系统的核心区别是“去中心化”。
在传统的财务体系下，记账是由一个可信的第三方机构进行的。比如你在银行存100元，你存款的数据只记录在银行的数据库里，只有银行维护交易记录。这是典型的集中记账。那么比特币是如何实现支付过程去中心化的呢？中本聪巧妙地利用分布式存储、链式数据结构、密码学(非对称加密)和POS工作量证明机制(共识算法)构建了新的操作系统，从而实现了“去中心化记账”；简单来说，比特币产生的每一笔交易，都会被所有节点记录下来，也就是每个人都有一个完整的账本。然而，这也引出了一系列问题：如何保证交易记录的真实性？如何保证交易记录的顺序(防止双花)？如何保证所有账本的一致性？如何保证账本不会被篡改？
为了解决记账的真实性，需要向所有节点公开交易记录，每个节点可以反向验证任何交易。中本聪通过引入非对称加密解决了这个问题。系统中的每笔交易都被定义为一段加密数据(记录)。在交易过程中，需要用收款人的公钥(具体来说就是基于公钥生成的钱包地址)创建新的交易记录(其中包含从最后一个付款人处收到的信息)，用付款人的私钥在记录中添加数字签名(其他人可以通过付款人的公钥验证签名)，这样比特币的所有权就转移到了收款人身上(因为收款人的私钥可以解锁这个加密数据)，从而形成了一个交易链。
那么如何确定交易完成的顺序呢？中本聪给出的解决方案是用“时间戳服务器”随机散列一组块形式的数据，然后打上戳。每个块的时间戳将被添加到其随机哈希值中的前一个块的时间戳中，从而形成时间序列上的数据链。从而确保交易的清晰顺序。
同时，交易发起过程中会广播全网(基于P2P网络协议)，每个节点会将收到的交易信息包含到一个块中。那么谁有权利记录这些数据呢？这里使用了前面提到的工作量证明机制(POS)。简单来说，在进行随机哈希运算时，引入一个数学解问题(比如SHA256，消耗大量CPU时间和功率)，最先找到这个解的节点获得记账权。这个解决方案需要很多操作，但是验证只需要一次。而且在分块中加入了一个随机数(Nonce)，可以自动调整求解难度。
这个方案一旦被大多数节点确认，这个块的信息就不能更改了。由于后面的块都是在这个块之后链接的，所以如果要更改这个块中的信息，就要更改后面的所有块，这就需要很大的计算能力(但如果只是更改最后一块，难度就会小很多，所以一笔交易只有在连续确认了6块之后才会被认为是基本不可逆的)，这样就增加了node的作恶成本，大大降低了账簿篡改的风险。但是，这并不能保证绝对的安全。如果有人掌握了全网51%的计算能力，那么从概率的角度来看，他会更容易优先考虑计算成功，这样他就可以伪造一个假链来代替主链，交易就会被篡改。也就是传说中的“51%攻击”。攻击者计算能力的比例越高，攻击成功的概率越大。
由于网络环境的复杂性，总会有多个节点同时广播不同版本的新块，因此其他节点接收这些块的时间也不同。此时，它们将在第一个接收到的块的基础上工作，但它们也会保留其他链(分叉)，直到找到下一个工作负载，并且其中一个链被证明是更长的一个，那么在分支链上工作的节点将切换到更长的链上继续工作(合并)，其他分叉将被放弃。比特币中的区块链是一个不断分支、合并、分支、合并的过程，最长的是系统认可的区块链。
如前所述，获取记账权需要大量的计算能力，整个系统面临“被攻击51%”的风险。那么如何才能保证比特币系统能够安全有效的运行呢？我不得不说中本聪是一个真正的天才。他通过设计独特的奖励机制，从经济学的角度很好地解决了这些问题。成功记账(挖矿)可以获得大量的比特币奖励(相比转账时收取很少的费用)，这就给了节点争夺记账权的动力，保证了交易的正常进行。同时，对于51%的攻击者来说，即使实现了计算攻击，整个系统的价值也会崩溃，因此攻击获得的比特币没有任何意义，攻击过程中付出的大量硬件资源和电费都会成为巨大的损失。对于超级计算能力拥有者(主要是矿池)来说，攻击从经济成本的角度来看完全不经济。他们有更好的盈利方式：通过硬分叉比特币(分叉币)凭空创造财富。而且这种奖励机制巧妙地解决了代币产生和流入市场的问题。谁支付资源谁就获得代币，这也可能是对全球央行货币体系的反击。
中本聪一直认为，货币过量是对公共财富的一种“掠夺”，所以他将比特币的数量定为恒定的2100万(这带来了系统性的通货紧缩)。同时，为了使价值易于组合和分割，交易被设计成包括多个输入和输出。一般来说，是由价值较高的前一笔交易组成的单一输入，或者是由价值较低的前几笔交易组成的平行输入，但最多只有两个输出：一个是支付，一个是找零(如果有的话)。需要指出的是，大量的事务是相互依赖的，但是上述技术方案(链结构、时间戳、公钥和私钥签名、POW等。)保证当前交易数据的真实性，所以没有必要开始测试之前发生的所有交易历史。
随着比特币交易的日益频繁，积累的交易信息越来越多，这显然给数据存储带来了压力，因此中本聪设计了存储空间回收机制。当最新的事务包含在足够多的块中时，可以丢弃事务之前的数据以回收存储空间；同时，为了保证块的随机散列值不被破坏，在对交易信息进行随机散列时，将其构造成一棵Merkel树(Merkle Tree是一种存储散列值的树结构。块中的每个事务计算一个散列值，然后成对连接再次计算散列，一直到顶部根散列)，这样，块的随机散列值中只包括根散列。通过拔出树的分支(只保留最后一个事务的Hash和其他非叶子节点)，可以压缩旧块，从而大大减少系统占用的存储空间。
由于Merkle算法的特点，轻型节点(SPV节点，不需要存储整个区块链数据，不能记账)也可以检查支付。节点只需要保存最长工作量证明链的块头的数据(没有事务信息的块头的大小只有80字节)，它可以不断地向网络查询，直到确信自己有最长的链，并可以通过Merkle树的分支导致它被打上时间戳并包含在块中的事务。这样就可以看出某个节点已经接受了，之后添加的块进一步证明全网都接受了，从而快速检验交易的有效性。
由于交易是向全网广播的，所以必须采取特殊的隐私政策来保护用户：通过保持公钥匿名，公众只能知道有若干比特币从支付地址转移到收款地址，而无法知道具体的收款人，从而保证了用户的隐私。作为额外的预防措施，用户可以要求每个交易生成一个新的地址，以确保这些交易不会追溯到一个共同的所有者。但是，由于平行输入的存在，一定程度的可追溯性是不可避免的，因为平行输入表明这些货币都属于同一所有者。这时候的风险就是，如果一个人的公钥中有一个被确认是属于他的，那么这个人的其他很多交易都是可以追溯的。
坚持在这里的读者应该对比特币系统有了基本的了解。我简单总结一下：比特币是利用分布式存储、链式数据结构、非对称加密、POW共识机制、P2P联网等一系列技术组合而成的去中心化、自运行的金融体系。实现了数字货币的自主发行、匿名交易和公开记账。这一期的内容很多。之后，我将带你了解更多关于比特币及其底层技术——区块链的知识，敬请关注。
(本文来自GetNo。不知道晚上天空的白。下次预览：《“比特币”的价值及其流通》)