比特币共识 #
在文章开始之前，必须先聊聊共识。共识是在某个群体或系统中，针对特定问题或规则达成的普遍一致意见或共同认识。
为什么需要共识 #
通过前面的知识我们知道，比特币是一个去中心化的账本，在这个世界上的每一个节点都可以打包交易的信息，即获得比特币的记账权。
- 究竟以哪个节点打包的信息为主？
- 如何让所有用户都认可某个节点打包的账单信息？
- 打包交易有什么利可图？
如何达成共识 #
在日常生活中，投票是一个达成共识的好办法。那在比特币中能否使让用户投票，来决定记账权呢？答案自然是否定的，因为在比特币中的账号可以无限产生，只要生成一对公私钥对就相当于生成了一个账户，如果有人恶意生成足够多账户，那他就可以控制投票的结果（女巫攻击）。
在比特币中也是利用投票机制，但不是按照账户投票，而是按照计算力来投票。
挖矿 #
发行货币 #
在讨论挖矿之前，我们先来说说如何发行比特币。前面的文章中我们讨论的交易都是在两个用户之间进行的，例如A转给B，B转给C，但在这些交易自始至终都没有产生新的货币，那这些货币最开始是从哪里产生的呢？答案就是出块奖励。
接着我们来说说如何获得出块奖励。在比特币系统中，每个用户都可以自行组装一个候选区块，然后不断地尝试 block header 中的各种nonce值，当用户的候选区块的 block header 满足下列公式时，就可以将区块广播到其他节点中去，其他节点接收到这个候选区块，验证合法性，当大多数节点验证通过，则将这个候选区块纳入到区块链中。用户将区块写入区块链中，就能获得一定的出块奖励，这就是大家对打包区块链交易趋之若鹜的原因。 $$ hash(block header) < target $$ 在上述的区块中包含一笔出块奖励，也叫 coinbase transaction，在这比交易中不需要说明币的来源，因为这就是系统给该用户的奖励。下图 block body 中绿色的交易即为出块奖励。
在blochchain.info查询到 coinbase transaction 详细信息如下：
按照比特币协议的规定，出块奖励从2009 年 1 月 3 日创世区块，每挖出21万个区块（约4年半），就会减少一半。
在上述不断尝试的过程就像是矿工在挖金矿一样，具有不确定性，但一旦挖到就有丰厚的回报（记账权），所以这个不断尝试的过程也叫挖矿，尝试的用户就叫矿工。这种挖矿机制解决了上篇文章所述的比特币货币发行问题，同时让矿工通过提供算力获得奖励，这种经济激励促使大量节点参与维护网络，保障了整个系统的安全与稳定。
挖矿概率分析 #
挖矿的本质是不断尝试各种nonce值，来满足 hash(block header) < target 。每次尝试，都可以视为一次伯努利试验。在挖矿过程中，每次都是成功率极小，失败率极大。矿工一次次进行挖矿，则构成了一系列的伯努利试验。伯努利试验本身具有无记忆性。也就是说，无论之前做多少大量试验，对后续继续试验没有任何影响。这样我们可以用泊松分布来进行近似分析，通过概率推导，出块时间是符合指数分布的。
比特币的协议中规定了系统平均出块时间是10分钟，如何将出块时间限定在10分钟，下一篇文章会详细讲述。
比特币总量 #
在中心化的金融系统中，货币的数量是可以通过中央政府控制的，例如政府可以加印或者少印货币，从而实现对金融市场的控制。
而在去中心化的比特币系统中，比特币的数量是固定的。上面我们谈到，矿工每挖出21万个区块（约4年半）就会减少一半，这样比特币的产生数量就会构成一个几何序列，从这个序列可以用等比数列求和公式来推算出比特币的总数。 $$ \begin{align} 总量&=21万50+21万25+21万12.5+… \ &=21万50*(1+1/2+1/4+1/8+…)\ &=21万502 \ &=2100万 \end{align} $$ 因为发行总量固定，比特币的一个很大优势就是在于具有很强的抗通胀属性。
比特币的安全性 #
1. 能否偷币？ #
能否偷币，即把别人账号上的钱转给自己？答案是不能，转账交易需要签名，而有恶意的人无法伪造别人的签名。
假如这个有恶意的人挖矿成功获得记账权，并将这个偷钱的转账交易硬写到新区块的交易列表里呢？答案任然是不能，因为诚实的节点不会接收这个区块，因为区块包含了一个非法的的交易，后续诚实的节点会继续沿着原区块继续挖矿。事实上这种做法很愚蠢，因为这样做相当于白白浪费了一个出块奖励。
2. 能否把已经花过的钱再花一次？ #
如下图，M将钱转给A，在下一个区块再将这边钱转回给他自己M’。
这种情况其实我们在上篇文章中双花攻击时已经讨论过了，有uxto交易模型的保障，这种方式是不可行的 。
如果是利用分叉攻击，将M转给M’的区块与M转给A的区块产生分叉呢？
这种攻击往往会在一些会产生不可逆的外部效果的交易中。假设在一个支持比特币支付的交易商城中，M将钱转给A，A根据订单进行发货。当M收到货的同时，产生一个M->M’的交易，如果这个区块与M->A的区块同时发布，并且包含M->M’交易的区块被大多数节点接受，相当于M->A的交易被回滚了，那么M将白嫖到这个商品，A将损失一件商品。
如何防范这种攻击？
如果M->A的区块后面又延续了一些区块，那么M->M’的区块再想回滚交易，就变得很困难了，因为大多数诚实的节点不会沿着下面的链挖下去。所以一种简单的防范这种攻击的方式就是多等几个区块确认，比特币协议中缺省需要等待6个区块确认，平均出块时间10分钟，也就是说要等待一个小时才可以认为区块不会被篡改。
3. 发布交易时能否故意不包含合法的交易？ #
当然可以这么做，但是你不干，有的是区块干，总有诚实的节点会将这些合法的交易会被写到区块中去。
4. selfish mining ? #
即挖到区块先掖着藏着不发布，且继续沿着这条链挖下去，等待6个区块确认后再将整条链发布出去，试图回滚之前的交易。同时这样有个好处，就是区块都被掖着藏着，没人跟你竞争。
这种case理论上可行，但前提是需要掌握大量的算力，因为你是再跟世界上所有其他的算力做对抗。
5. 思考 #
从上述中我们可以知道，其实比特币并不是100%安全的，如果恶意节点掌握了世界上50%以上的算力的话，是可以进行一些恶意攻击的。但是，我们可以反过来思考下，假设你掌握了世界上50%以上的算力，在这个每个国家都为算力争破头脑的时代，能轻易地创造大量的合法收益，还有必要进行恶意攻击吗？
在世界上的大部分算力都掌握在合法的节点手中的这个前提下，可以说比特币是安全的。