比特币区块链采用了 Proof of Work（PoW）机制来实现共识，该机制最早于 1998 年在 B-money 设计中提出。

目前，Proof of X 系列中比较出名的一致性协议包括 PoW、PoS 和 DPoS 等，都是通过经济惩罚来限制恶意参与。

工作量证明是通过计算来猜测一个数值（nonce），使得拼凑上交易数据后内容的 Hash 值满足规定的上限（来源于 hashcash）。由于 Hash 难题在目前计算模型下需要大量的计算，这就保证在一段时间内，系统中只能出现少数合法提案。反过来，如果谁能够提出合法提案，也证明提案者确实已经付出了一定的工作量。

同时，这些少量的合法提案会在网络中进行广播，收到的用户进行验证后，会基于用户认为的最长链基础上继续难题的计算。因此，系统中可能出现链的分叉（Fork），但最终会有一条链成为最长的链。

Hash 问题具有不可逆的特点，因此，目前除了暴力计算外，还没有有效的算法进行解决。反之，如果获得符合要求的 nonce，则说明在概率上是付出了对应的算力。谁的算力多，谁最先解决问题的概率就越大。当掌握超过全网一半算力时，从概率上就能控制网络中链的走向。这也是所谓 51% 攻击的由来。

参与 PoW 计算比赛的人，将付出不小的经济成本（硬件、电力、维护等）。当没有最终成为首个算出合法 nonce 值的“幸运儿”时，这些成本都将被沉没掉。这也保障了，如果有人尝试恶意破坏，需要付出大量的经济成本。也有人考虑将后算出结果者的算力按照一定比例折合进下一轮比赛。

有一个很直观的超市付款的例子，可以说明为何这种经济博弈模式会确保系统中最长链的唯一性。

 

 

 

Pow 保证一致性

 

假定超市只有一个出口，付款时需要排成一队，可能有人不守规矩要插队。超市管理员会检查队伍，认为最长的一条队伍是合法的，并让不合法的分叉队伍重新排队。新到来的人只要足够理智，就会自觉选择最长的队伍进行排队。这是因为，多条链的参与者看到越长的链越有可能胜出，从而更倾向于选择长的链。

可以看到，最长链机制可以提高很好地抗攻击性，同时其代价是浪费掉了非最长链上的计算资源。部分改进工作是考虑以最长链为基础，引入树形结构以提高整体的交易性能，如 GHOST 协议（《Secure high-rate transaction processing in bitcoin》）和 Conflux 算法（《Scaling Nakamoto Consensus to Thousands of Transactions per Second》）。

权益证明（Proof of Stake，PoS）最早在 2013 年被提出，最早在 Peercoin 系统中被实现，类似于现实生活中的股东机制，拥有股份越多的人越容易获取记账权（同时越倾向于维护网络的正常工作）。

典型的过程是通过保证金（代币、资产、名声等具备价值属性的物品即可）来对赌一个合法的块成为新的区块，收益为抵押资本的利息和交易服务费。提供证明的保证金（例如通过转账货币记录）越多，则获得记账权的概率就越大。合法记账者可以获得收益。

PoS 试图解决在 PoW 中大量资源被浪费的问题，因而受到了广泛关注。恶意参与者将存在保证金被罚没的风险，即损失经济利益。

一般情况下，对于 PoS 来说，需要掌握超过全网 1/3 的资源，才有可能左右最终的结果。这也很容易理解，三个人投票，前两人分别支持一方，这时候，第三方的投票将决定最终结果。

PoS 也有一些改进的算法，包括授权股权证明机制（DPoS），即股东们投票选出一个董事会，董事会中成员才有权进行代理记账。这些算法在实践中得到了不错的验证，但是并没有理论上的证明。

2017 年 8 月，来自爱丁堡大学和康涅狄格大学的 Aggelos Kiayias 等学者在论文《Ouroboros: A Provably Secure Proof-of-Stake Blockchain Protocol》中提出了 Ouroboros 区块链共识协议，该协议可以达到诚实行为的近似纳什均衡，被认为是首个可证实安全的 PoS 协议。

比特币中最独特的一个概念就是“挖矿”。挖矿是指网络中的维护节点，通过协助生成和确认新区块来获取一定量新增比特币的过程。

当用户向比特币网络中发布交易后，需要有人将交易进行记录和确认，形成新的区块，并串联到区块链中。在一个互相不信任的分布式系统中，该由谁来完成这件事情呢？比特币网络采用了“挖矿”的方式来解决这个问题。

目前，每 10 分钟左右生成一个不超过 1 MB 大小的区块（记录了这 10 分钟内发生的验证过的交易内容），串联到最长的链尾部，每个区块的成功提交者可以得到系统 12.5 个比特币的奖励（该奖励作为区块内的第一个交易，一定区块数后才能使用），以及用户附加到交易上的支付服务费用。即便没有任何用户交易，矿工也可以自行产生合法的区块并获得奖励。

每个区块的奖励最初是 50 个比特币，每隔 21 万个区块自动减半，即 4 年时间，最终比特币总量稳定在 2100 万个。因此，比特币是一种通缩的货币。

挖矿的具体过程为：参与者综合上一个区块的 Hash 值，上一个区块生成之后的新的验证过的交易内容，再加上自己猜测的一个随机数 X，一起打包到一个候选新区块，让新区块的 Hash 值小于比特币网络中给定的一个数。这是一道面向全体矿工的“计算题”，这个数越小，计算出来就越难。

系统每隔两周（即经过 2016 个区块）会根据上一周期的挖矿时间来调整挖矿难度（通过调整限制数的大小），来调节生成区块的时间稳定在 10 分钟左右。为了避免震荡，每次调整的最大幅度为 4 倍。历史上最快的出块时间小于 10s，最慢的出块时间超过 1 个小时。

为了挖到矿，参与处理区块的用户端往往需要付出大量的时间和计算力。算力一般以每秒进行多少次 Hash 计算为单位，记为 h/s。目前，比特币网络算力峰值已经达到了每秒数百亿亿次。

汇丰银行分析师 Anton Tonev 和 Davy Jose 在 2016 年一份客户报告中曾表示，比特币区块链（通过挖矿）提供了一个局部的、迄今为止最优的解决方案：如何在分散的系统中验证信任。这就意味着，区块链本质上解决了传统依赖于第三方的问题，因为这个协议不只满足了中心化机构追踪交易的需求，还使得陌生人之间产生信任。区块链的技术和安全的过程使得陌生人之间在没有被信任的第三方时产生信任。

2010 年以前，挖矿还是一个非常热门的盈利行业。

但是随着相关技术和设备的发展，现在个人进行挖矿的收益已经降得很低。从概率上说，由于当前参与挖矿的计算力实在过于庞大（已经超出了大部分的超算中心），一般的算力已经不可能挖到比特币。特别是利用虚拟机来挖矿的想法，已经基本不可能了。

从普通的 CPU（2009 年）、到后来的 GPU（2010 年） 和 FPGA（2011 年末）、到后来的 ASIC 矿机（2013 年年初，目前单片算力已达每秒数百亿次 Hash 计算）、再到现在众多矿机联合组成矿池（知名矿池包括 F2Pool、BitFury 等）。短短数年间，比特币矿机的技术走完了过去几十年的集成电路的进化历程，甚至还颇有创新之处。高回报刺激了科技的飞速发展。目前，矿机主要集中在少数矿池手中，全网的算力已超过每秒 10^20 次 Hash 计算。如果简单认为一次 Hash 计算等同于一次浮点运算，那么比特币全网算力将等同于 500 台 Summit 超级计算机（目前最快的超级计算机，由 IBM 和 Nvidia 于 2018 年研制）。

很自然地，读者可能会想到，如果有人掌握了强大的计算力，计算出所有的新区块，并且拒不承认他人的交易内容，那是不是就能破坏掉比特币网络。确实如此，基本上个体达到 1/3 的计算力，比特币网络就存在被破坏的风险了；达到 1/2 的算力，从概率上就掌控整个网络了。但是要实现这么大的算力，将需要付出巨大的经济成本。

那么有没有办法防护呢？除了尽量避免计算力放到同一个组织手里，没太好的办法，这是目前 PoW 机制自身造成的。

也有人认为为了共识区块的生成，大部分计算力（特别是最终未能算出区块的算力）其实都浪费了。有人提出用 PoS（Proof of Stake）和 DPoS 等协议，利用权益证明（例如持有货币的币龄）作为衡量指标进行投票，相对 PoW 可以节约大量的能耗。PoS 可能会带来囤积货币的问题。除此之外，还有活跃度证明（Proof of Activity，PoA）、消耗证明（Proof of Burn，PoB）、能力证明（Proof of Capacity, PoC）、消逝时间证明（Proof of Elapsed Time）、股权速率证明（Proof of Stake Velocity，PoSV）等，采用了不同的衡量指标。

当然，无论哪种机制，都无法解决所有问题。一种可能的优化思路是引入随机代理人制度，通过算法在某段时间内确保只让部分节点参加共识的提案，并且要发放一部分“奖励”给所有在线贡献的节点。

区块链网络提供一个公共可见的记账本，该记账本记录网络中所有的交易历史，而并非记录各个账户的余额。该设计可以避免重放攻击，即某个交易被多次重复提交。

比特币中没有账户的概念。因此，每次发生交易，用户需要将交易记录写到比特币网络账本中，等网络确认后即可认为交易完成。

除了挖矿获得奖励的 coinbase 交易只有输出，正常情况下每个交易需要包括若干输入和输出，未经使用（引用）的交易的输出（Unspent Transaction Outputs，UTXO）可以被新的交易引用作为其合法的输入。被使用过的交易的输出（Spent Transaction Outputs，STXO），则无法被引用作为合法输入。

因此，比特币网络中一笔合法的交易，必须是引用某些已存在交易的 UTXO（必须是属于付款方才能合法引用）作为新交易的输入，并生成新的 UTXO（将属于收款方）。

那么，在交易过程中，付款方如何证明自己所引用的 UTXO 合法？比特币中通过“签名脚本”来实现，并且指定“输出脚本”来限制将来能使用新 UTXO 者只能为指定收款方。对每笔交易，付款方需要进行签名确认。并且，对每一笔交易来说，总输入不能小于总输出。总输入相比总输出多余的部分称为交易费用（Transaction Fee），为生成包含该交易区块的矿工所获得。目前规定每笔交易的交易费用不能小于 0.0001 BTC，交易费用越高，越多矿工愿意包含该交易，也就越早被放到网络中。交易费用在奖励矿工的同时，也避免了网络受到大量攻击。

交易中金额的最小单位是“聪”，即一亿分之一（10^-8）比特币。

下图展示了一些简单的示例交易。更一般情况下，交易的输入、输出可以为多方。

需要注意，刚放进网络中的交易（深度为 0）并非是实时得到确认的。进入网络中的交易存在被推翻的可能性，一般要再生成几个新的区块后（深度大于 0）才认为该交易被确认。

比特币采用了 UTXO 模型，相对账户模型，UTXO 模型可以更容易实现并行处理和隐私保护，并追踪完整交易路径；但由于需要存储和检索所有交易记录，对节点存储压力较大。

下面分别介绍比特币网络中的重要概念和主要设计思路。

比特币采用了非对称的加密算法，用户自己保留私钥，对自己发出的交易进行签名确认，并公开公钥。

比特币的账户地址其实就是用户公钥经过一系列 Hash（HASH160，或先进行 SHA256，然后进行 RIPEMD160）及编码运算后生成的 160 位（20 字节）的字符串。

一般地，也常常对账户地址串进行 Base58Check 编码，并添加前导字节（表明支持哪种脚本）和 4 字节校验字节，以提高可读性和准确性。

注：账户并非直接是公钥内容，而是 Hash 后的值，避免公钥过早公开后导致被破解出私钥。

交易是完成比特币功能的核心概念，一条交易可能包括如下信息：

网络中节点收到交易信息后，将进行如下检查：

检查都通过，则将交易标记为合法的未确认交易，并在网络内进行广播。

用户可以从 blockchain.info 网站查看实时的交易信息，一个示例交易的内容如下图所示。

脚本（Script） 是保障交易完成（主要用于检验交易是否合法）的核心机制，当所依附的交易发生时被触发。通过脚本机制而非写死交易过程，比特币网络实现了一定的可扩展性。比特币脚本语言是一种非图灵完备的语言，类似 Forth 语言。

一般每个交易都会包括两个脚本：负责输入的解锁脚本（scriptSig）和负责输出的锁定脚本（scriptPubKey）。

输出脚本一般由付款方对交易设置锁定，用来对能动用这笔交易的输出（例如，要花费该交易的输出）的对象（收款方）进行权限控制，例如限制必须是某个公钥的拥有者才能花费这笔交易。

认领脚本则用来证明自己可以满足交易输出脚本的锁定条件，即对某个交易的输出（比特币）的拥有权。

输出脚本目前支持两种类型：

scriptPubKey: OP_DUP OP_HASH160 <pubKeyHash> OP_EQUALVERIFY OP_CHECKSIG

其中，OP_DUP 是复制栈顶元素；OP_HASH160 是计算 hash 值；OP_EQUALVERIFY 判断栈顶两元素是否相等；OP_CHECKSIG 判断签名是否合法。这条指令实际上保证了只有 pubKey 的拥有者才能合法引用这个输出。

另外一个交易如果要花费这个输出，在引用这个输出的时候，需要提供认领脚本格式为

scriptSig: <sig> <pubKey>

其中， 是拿 pubKey 对应的私钥对交易（全部交易的输出、输入和脚本）Hash 值进行签名，pubKey 的 Hash 值需要等于 pubKeyHash。

进行交易验证时，会按照先 scriptSig 后 scriptPubKey 的顺序进行依次入栈处理，即完整指令为：

<sig> <pubKey> OP_DUP OP_HASH160 <pubKeyHash> OP_EQUALVERIFY OP_CHECKSIG

读者可以按照栈的过程来进行推算，理解整个脚本的验证过程。

引入脚本机制带来了灵活性，但也引入了更多的安全风险。比特币脚本支持的指令集十分简单，基于栈的处理方式，并且非图灵完备，此外还添加了额外的一些限制（大小限制等）。

比特币区块链的一个区块不能超过 1 MB，将主要包括如下内容：

其中，区块头信息十分重要，包括：

可见，要对区块链的完整性进行检查，只需要检验各个区块头部信息即可，无需获取到具体的交易内容，这也是简单交易验证（Simple Payment Verification，SPV）的基本原理。另外，通过头部的链接，提供时序关系的同时加大了对区块中数据进行篡改的难度。

一个示例区块如下图所示。

比特币在设计上提出了很多创新点，主要考虑了避免作恶、采用负反馈调节和基于概率的共识机制等三个方面。

基于经济博弈原理。在一个开放的网络中，无法通过技术手段保证每个人都是合作的。但可以通过经济博弈来让合作者得到利益，让非合作者遭受损失和风险。

实际上，博弈论早已被广泛应用到众多领域。

一个经典的例子是两个人来分一个蛋糕，如果都想拿到较大的一块，在没有第三方的前提下，该怎么制定规则才公平？

最简单的一个方案是任意一个人负责分配蛋糕，并且这个人后挑选。

注：如果推广到 N 个人呢？

比特币网络中所有试图参与者（矿工）都首先要付出挖矿的代价，进行算力消耗，越想拿到新区块的决定权，意味着抵押的算力越多。一旦失败，这些算力都会被没收掉，成为沉没成本。当网络中存在众多参与者时，个体试图拿到新区块决定权要付出的算力成本是巨大的，意味着进行一次作恶付出的代价已经超过可能带来的好处。

比特币网络在设计上，很好的体现了负反馈的控制论基本原理。

比特币网络中矿工越多，系统就越稳定，比特币价值就越高，但挖到矿的概率会降低。

反之，网络中矿工减少，会让系统更容易导致被攻击，比特币价值越低，但挖到矿的概率会提高。

因此，比特币的价格理论上应该稳定在一个合适的值（网络稳定性也会稳定在相应的值），这个价格乘以挖到矿的概率，恰好达到矿工的收益预期。

从长远角度看，硬件成本是下降的，但每个区块的比特币奖励每隔 4 年减半，最终将在 2140 年达到 2100 万枚，之后将完全依靠交易的服务费来鼓励矿工对网络的维护。

注：比特币最小单位是“聪”，即 10^(-8) 比特币，总“聪”数为 2.1E15。对于 64 位处理器来说，高精度浮点计数的限制导致单个数值不能超过 2^53 约等于 9E15。

传统共识问题往往是考虑在一个相对封闭的分布式系统中，允许同时存在正常节点、故障节点，如何快速达成一致。

对于比特币网络来说，它是完全开放的，可能面向各种攻击情况，同时基于 Internet 的网络质量只能保证“尽力而为”，导致问题更加复杂，传统的一致性算法在这种场景下难以实用。

因此，比特币网络不得不对共识的目标和过程都进行了一系列限制，提出了基于 Proof of Work（PoW）的共识机制。

首先是不实现面向最终确认的共识，而是基于概率、随时间逐步增强确认的共识。现有达成的结果在理论上都可能被推翻，只是攻击者要付出的代价随时间而指数级上升，被推翻的可能性随之指数级的下降。

此外，考虑到 Internet 的尺度，达成共识的时间相对比较长。按照区块（一组交易）来进行阶段性的确认（快照），提高网络整体的可用性。

最后，限制网络中共识的噪音。通过进行大量的 Hash 计算和少数的合法结果来限制合法提案的个数，进一步提高网络中共识的稳定性。

比特币（BitCoin，BTC）是基于区块链技术的一种加密货币；比特币网络是首个经过大规模、长时间检验的公有区块链系统。

自 2009 年 1 月 3 日正式上线以来，比特币价格经历了数次的震荡，目前每枚比特币市场价格超过 7000 美金。

比特币网络在功能上具有如下特点：

下图来自 blockchain.info 网站，可以看到比特币字诞生以来的汇率（以美元为单位）变化历史。

比特币汇率历史

2008 年 11 月 1 日 19:16:33，中本聪在 metzdowd 的加密技术邮件列表发布比特币白皮书：“比特币：一种点对点的电子现金系统（Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System）”。

2009 年 1 月 3 日 18:15:05，中本聪在位于芬兰赫尔辛基（Helsinki）的一个小型服务器上挖出了首批 50 个比特币，并在首个区块中记录了当天泰晤士报的头版标题：“The Times 03/Jan/2009 Chancellor on brink of second bailout for banks（财政大臣考虑再次紧急援助银行危机）”。首个区块也被称为创世区块或初始区块（Genesis Block），可以通过 https://blockchain.info/block-index/14849 查看其详细内容。

2009 年 1 月 12 日，中本聪将 10 枚比特币转账给开发者 Hal Finney，这也是首笔比特币转账（位于区块 170）。

2010 年 5 月 21 日，第一次比特币交易：佛罗里达程序员 Laszlo Hanyecz 用 1 万 BTC 购买了价值 25 美元的披萨优惠券。这是比特币的首个兑换汇率：1: 0.0025 美金。这些比特币在今日价值超过 8000 万美金。

2010 年 7 月 17 日，第一个比特币交易平台 Mt.Gox 成立。

2011 年 4 月，首个有官方正式记载的版本 0.3.21 发布，支持普通用户参与到 P2P 网络中，并开始支持最小单位 “聪”。

2011 年 4 月 26 日，比特币宏大网络缺失的最后一块砖被砌好。中本聪发出一封简短的邮件之后，从此不再现身。

2011 年初，开始出现基于显卡的挖矿设备。2011 年年底，比特币价格约为 2 美元。

2012 年 6 月，Coinbase 成立，支持比特币相关交易。公司目前已经发展为全球数字资产交易平台，同时支持包括比特币、以太币等数字货币。

2011 年 6 月 19 日，由于安全事故，Mt.Gox 数据库发生泄漏，其宣称所保管的部分比特币被盗走。

2012 年 9 月 27 日，比特币基金创立，此时比特币价格为 12.46 美元。

2012 年 11 月 28 日，比特币产量第一次减半，单个区块产生的比特币从 50 个减半到 25 个。

2013 年 3 月，三分之一的专业矿工已经开始采用专用 ASIC 矿机进行挖矿。

2013 年 3 月 11 日，比特币发布 0.8.0 版本，大量完善了节点内部管理和网络通信，使得比特币有能力支持后来大规模的 P2P 网络。该版本包含一个严重的 bug，虽然后来被紧急修复，仍造成比特币价格大幅下跌。

2013年 4 月 10 日，BTC 创下历史新高，266 美元。

2013 年 6 月 27 日，德国会议作出决定：持有比特币一年以上将予以免税，被业内认为此举变相认可了比特币的法律地位，此时比特币价格为 102.24 美元。

2013 年 10 月 29 日，世界第一台可以兑换比特币的 ATM 在加拿大上线。

2013 年 11 月 29 日，比特币的交易价格创下 1242 美元的历史新高，而同时黄金价格为一盎司 1241.98 美元，比特币价格首度超过黄金。

2014 年 2 月 24 日，全球最大比特币交易平台 Mt.Gox 因 85 万个比特币被盗而宣告破产并关闭，造成大量投资者的损失，比特币价格一度暴跌。

2014 年 3 月，中国第一台可以兑换比特币的 ATM 在香港上线。

2014 年 6 月，美国加州通过 AB-129 法案，允许比特币等数字货币在加州进行流通。

2015 年 6 月 3 日，纽约成为美国第一个正式进行数字货币监管的州。

2015 年 10 月 22 日，欧盟司法部宣布比特币和其它加密货币为货币而非商品，欧盟法院裁定比特币交易免征增值税。

2015 年 10 月 31 日，《经济学人》杂志发表封面文章《信任机器》，开始关注比特币网络背后的区块链技术。

2016 年 1 月，中国人民银行在京召开了数字货币研讨会，会后发布公告宣称或推出数字货币。

2016 年 7 月 9 日，比特币产量第二次减半，每个区块产出从 25 枚比特币减少为 12.5 枚。

2016 年 8 月 2 日，知名比特币交易所 Bitfinex 遭遇安全攻击，按照当时市值计算，损失超过 6000 万美金。

2017 年 1 月 24 日，中国部分交易所（Okcoin、火币、BTCC）开始收取比特币交易手续费（为成交金额的 0.2%）。

2017 年 3 月，美国证券交易监督委员会（U.S. Securities and Exchange Commission，SEC）连续否决了比特币 ETF 申请。

2017 年 4 月 1 日，日本通过法案，正式将数字货币交易所纳入监管体系，承认比特币是合法的预付款工具。

2017 年 7 月，比特币网络全网算力首次突破 6 exahash/s（即每秒10的18次方哈希），创下历史新高。

2017 年 9 月 4 日，北京市互联网金融风险专项整治工作领导小组办公室下发通知，停止各类 ICO 和代币发行活动。之后，国内各大交易所和矿池陆续终止境内业务。

2017 年 10 月 13 日，比特币的价格首次突破 5000 美元。

2017 年 12 月 11 日，全球首个比特币期货合约在芝加哥期权交易所（Chicago Board Options Exchange，CBOE）上市。

2017 年 12 月 17 日，比特币期货在芝加哥商品交易所（Chicago Mercantile Exchange，CME）上市，当天单个比特币价格一度冲破 20000 美元（总市值超过 2000 亿美金），创下历史新高。

2018 年 3 月 6 日，韩国政府发布禁令，禁止公职人员持有和交易加密货币。彼时比特币价格已经长期在 5000 美金左右波动。

2018 年 3 月 7 日，美国证券交易监督委员会发布了《关于可能违法的数字资产交易平台的声明》，规定数字货币交易所必须通过注册。

2018 年 6 月 21 日，受美联储降息和 Facebook 发币消息的影响，比特币价格重新攀升超过 10000 美金，并一度接近 13000 美金。

2019 年 6 月，由于交易量不足以及来自芝加哥商品交易所的竞争，芝加哥期权交易所决定暂停比特币期货合约交易。

2018 年 12 月，受到行业周期和社区内部冲突的影响，比特币价格一路下跌，迫近 3000 美金关口。

2019 年 6 月 18 日，Facebook 发布了加密货币项目 Libra 的白皮书，宣布要打造简单的、无国界的为数十亿普通人服务的金融基础设施。

2019 年 9 月 23 日，比特币期货交易平台 Bakkt 上线，支持以比特币实物进行结算。

2019 年 10 月 26 日，受到一系列利好消息影响，比特币价格暴涨，单日从 7600 美元涨到 10800 美元。但随后逐步跌破 7000 美金。

目前，比特币区块链已经生成了超过 60 万个区块，完整存储需要约 250 GB 的空间，每天平均完成 20 万笔交易。