【比特币专题01】白皮书导读

论文概述

论文地址：https://bitcoin.org/bitcoin.pdf

由于在“基于信任”模式下的交易，存在交易成本增加、限制了交易额的大小即阻断小额交易、商家欺诈行为等问题，本论文提出解决方案即比特币，这是一个P2P分布式的电子现金交易网络，依靠hash和加盖时间戳，以及工作量证明机制等手段，解决了双重支付问题，并在极大程度上保证了交易的有效性、正确性、抗伪性。论文中也详细介绍了实现所用到的技术、机制、原理等。

主要收获

个人感觉最大的收获就是对比特币的运行机制有了大体的认识，了解了整体流程，虽然可能一些技术的实现细节还是不够明朗。下面就是我对其中各个部分的认识和理解。

• 在引言介绍部分，引出了比特币的产生背景，基于第三方机构的交易存在的种种问题，并提出比特币这一解决方案。然后接下来的各个章节介绍比特币涉及的主要关键技术。
• Transactions部分描述了交易是如何被记录的，其中运用了Hash和公私钥，但仅仅记录是无法验证交易的有效性，即存在双重支出问题。
• Timestamp Server部分描述了具体每个节点（服务器）的工作，即对形成的区块进行Hash，并加盖上时间戳，根据时序进行排列形成链。
• Proof-of-Work部分描述了进一步说明Timestamp server的实现，即使用工作证明机制，通过找到满足条件的nonce来获得记账权，因为寻找这个nonce依靠CPU算力，CPU算力越高找到的概率越大，即one-CPU-one-vote规则，解决了多数决策中的代表问题。同时这样的方式，也保证了如果攻击者想要篡改某个区块，就先得把这个区块之后的区块都进行修改，而每个区块都是需要靠大量CPU算力来找到nonce，获得记账权进行修改，这样的成本是很大的。
• Network部分则是描述了比特币网络的工作流程。其中提到的一个很重要的原则就是，所有人是默认最长链是最正确的。而正是有这一前提，才有了只要网络里超过51%的算力属于诚实节点，就能保证区块链里交易信息的正确性，因为诚实节点的算力超过一半，算得比攻击节点快，那么最长链肯定属于诚实节点一方。
• Incentive部分说明的是激励机制，给予抢到记账权的节点一定的比特币，正是有这样的激励机制，各个节点才会愿意投入算力去争夺记账权，也才能是之前的工作量证明机制正常运行。还有一种就是以交易手续费的方式进行奖励。
• Reclaiming Disk Space部分说明区块链可以通过Merkel Tree技术方法来压缩数据，减小空间存储。
• Simplified Payment Verification部分则是说明了如何来检验交易的有效性，因为基于之前最长链总是正确的原则， 因此只要向网络上的节点进行询问，找到最长链就可以验证所有的有效交易记录。
• Combining and Splitting Value部分描述的是形成交易的细节，是可以有多个输入的，而输出最多是两个。
• Privacy部分则是说明比特币网络中的隐私相关问题。
• Calculations部分用具体的数学计算来说明了，当一个攻击者在落后最长链Z个块的情况下，想要追上最长链的概率。结果表明，当落后的块数越多，追上的概率就越小，也就保证了区块链的安全性和稳定性。
• Conclusion部分则是最后进行了总结。

存在疑问

• 问题1：怎么理解数字货币中的double-spending problem？

用数字货币交易时，是用先前的交易和下一个拥有者的公钥做Hash，然后用拥有者的私钥进行签名形成这一次交易，比如这次交易A支付给B 1个电子货币，然后A的余额只有1个电子货币，如果没有第三方机构进行监管，确认这个电子货币已经交易出去了，那么A可以继续拿这1个电子货币继续交易，而接受者也无法确认这1个电子货币是否真正的属于他。也就是说，没有第三方监管机构，也没有引入区块链P2P这个网络的话，相当于就没有办法确认交易的有效性，这里产生的交易仅仅起到一个记录的作用。

• 进一步，那么比特币是怎么解决这个问题的呢？

比特币建立起了一个用工作量证明机制的P2P网络，网络上的节点都可以进行记账（也就是记录交易信息），记账的方式是基于区块链技术，区块上记录着一段时间内的交易信息，然后按时序用链串联起来，就有了所有的交易信息；同时最长的区块链是被网络上的节点所共同认可是正确的，即相当于第三方监管的确认作用，证明某次交易有效。

用上面的例子继续说明A的余额只有一个，然后他又同时和B、C进行交易，这两条交易信息传播到网络上，各个节点进行记录。有节点先收到A给B一个比特币的消息，他们检查余额之后会自动忽略另外一条交易消息（这个检查应该是基于他们当前的链？）；同样，会有先收到A给C一个比特币消息的节点，在检查余额之后也会自动忽略另外一条消息。接下来算力最高的（CPU最多的）节点获得记账权，把他记录的区块加到主链上，然后网络上其他节点都会以主链上的交易信息为准。如果放入主链的交易信息是A转给B一个比特币，那么B将会获得比特币，交易的有效性得到确认；同理，如果放入主链的交易信息是A转给C一个比特币，那么C将会获得比特币。

• 问题2：不过这样又引出一个问题，这个主链是怎么确定下来，或者说找到的呢？是假设大部分节点都是有着相同的最长主链，然后直接在本地的区块链上加上最新的，然后把新产生的区块信息广播出去？然后再根据最长主链正确性的假设前提，其他节点根据该最长主链更新本地的区块链

• 问题3：在上面的例子里，还有一个问题，怎么去检验一个交易里付款者的余额？或者说怎么找到该付款者之前的所有交易记录？用公私钥的话好像不太行，因为每次都可能变换。还是说这个账户是可以直接找到的，那隐私性是怎么保护？

• 问题4：文中的网络部分提到了容错性，即有的网络节点可能会丢失之前的区块信息，那么这些节点该怎么找到当前的最长主链？

  • 我理解每次传播的区块都是最新的区块，节点会因此意识到自己丢失了区块信息（这个怎么意识到也是个问题，用最新区块里的的prev hash来验证？），那么怎么来获取丢失的区块信息呢？是从最新区块广播节点那拉取区块吗？

• 问题5：Merkel Tree剪枝压缩的具体实现

• 问题6：论文通篇介绍了比特币的实现原理，那么比特币有什么问题，缺点呢？

• 问题7：在存储部分提到，因为Merkel Tree的技术，存储并不是问题，那么有没有可能用优势来弥补劣势，像是空间换时间？

所思所感

• 比特币本身没有价值，但是却有着无比昂贵的价格，甚至有大量的电力、算力耗费在这上面，进行所谓的“挖矿”，从中获得真实的金钱财富，这对我来说有些不可思议，难以理解。我自身也说不太清楚，可能这是个哲学问题？一个从计算机里产生的电子货币，对现实世界没有实质性的价值或者说实用性，为什么却能被人们追捧，赋予了天价？把那些花费在找随机数、挖矿的电力和算力用在更需要的地方，会不会能创造有实际价值的事物？
• 通过阅读本篇论文，了解比特币大致的工作流程，实现原理，也认识到比特币最大的特点就是去中心化，没有了第三方机构，改变以往“基于信任”的交易模式，或许正是这种去中心化的、隐蔽的并且可靠的交易方式满足了一定人群的需求（可能并不正当），逃离政府监管，以我们的国情来说，这是不可接受的，对大部分人或许也不好理解。但是区块链这种技术，这种去中心化的网络不一定要落地在电子货币里，应该会有更广阔的应用场景，也需要我自己再学习了。