比特币 —— 区块链思想诞生的摇篮
比特币网络是首个得到大规模部署的区块链技术应用，并且是首个得到实践检验的数字货币实现，无论在信息技术历史还是在金融学历史上都具有十分重要的意义。比特币项目在诞生和发展过程中，借鉴了来自数字货币、密码学、博弈论、分布式系统、控制论等多个领域的技术成果，可谓博采众家之长于一身。
比特币（BitCoin，BTC）是基于区块链技术的一种数字货币实现；比特币网络是历史上首个经过大规模长时间检验的数字货币系统。
2009 年正式上线。
比特币网络在功能上具有如下特点：
- 去中心化：意味着没有任何独立个体可以对网络中交易进行破坏，任何交易请求都需要大多数参与者的共识；
- 匿名性：比特币网络中账户地址是匿名的，无法从交易信息关联到具体的个体，但这也意味着很难进行审计；
- 通胀预防：比特币的发行需要通过挖矿计算来进行，发行量每四年减半，总量上限为 2100 万枚，无法被超发。
比特币的发展简史不说了，网上查一下就好。我们重点要学习的是比特币背后的区块链思想。
原理和设计
比特币网络是一个分布式的点对点网络，网络中的矿工通过“挖矿”来完成对交易记录的记账过程，维护网络的正常运行。
区块链网络提供一个公共可见的记账本，该记账本并非记录每个账户的余额，而是用来记录发生过的交易的历史信息。该设计可以避免重放攻击，即某个合法交易被多次重新发送造成攻击。
**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。
重要概念
账户/地址
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。
交易
交易是完成比特币功能的核心概念
交易脚本
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。
区块
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：
- 区块大小：4 字节；
- 区块头：80 字节：
- 交易个数计数器：1~9 字节；
- 所有交易的具体内容，可变长，匹配 Merkle 树叶子节点顺序。
其中，区块头信息十分重要，包括：
- 版本号：4 字节；
- 上一个区块头的 Hash 值：链接到上一个合法的块上，对其区块头进行两次 SHA256 操作，32 字节；
- 本区块所包含的所有交易的 Merkle 树根的哈希值：两次 SHA256 操作，32 字节；
- 时间戳：4 字节；
- 难度指标：4 字节；
- Nonce：4 字节，PoW 问题的答案。
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，（因为默克尔树），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。
创新设计
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。
如何避免作恶
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。
负反馈调节
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。
共识机制
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。
闪电网络
比特币的交易网络最为人诟病的一点便是交易性能：全网每秒 7 笔左右的交易速度，远低于传统的金融交易系统；同时，等待 6 个块的可信确认将导致约 1 个小时的最终确认时间。
为了提升性能，社区提出了闪电网络等创新的设计。
闪电网络的主要思路十分简单——将大量交易放到比特币区块链之外进行，只把关键环节放到链上进行确认。
比特币的区块链机制自身已经提供了很好的可信保障，但是相对较慢；另一方面考虑，对于大量的小额交易来说，是否真需要这么高的可信性？
闪电网络主要通过引入智能合约的思想来完善链下的交易渠道。