1.1　比特幣

1.1.1　產生背景

比特幣（Bit Coin）的概念最初是從中本聰在二〇〇八年發表的論文〈比特幣：一種點對點的電子現金系統〉中提出。這種電子現金系統起始於按中本聰的思路設計、發布的開放軟體及建構於其上的P2P（Peer to Peer）網路。比特幣是一種P2P形式下的數位貨幣。點對點的傳輸意味著一個去中心化的支付系統。

與大多數貨幣不同，比特幣不依靠特定的貨幣機構發行，它依據特定演算法，透過大量的運算產生。比特幣經濟是指透過使用整個P2P網路中，眾多節點構成的分散式資料庫來確認並記錄所有的交易行為，並使用密碼學的設計來確保貨幣流通中各個環節的安全性。P2P的去中心化特性與演算法本身可以確保任何人都無法透過大量製造比特幣來人為操控幣值。基於密碼學的設計，可以使比特幣只能被真實的擁有者轉移或支付，同時確保了貨幣的所有權與流通交易的匿名性。比特幣與其他虛擬貨幣最大的不同是其總數量非常有限，具有極強的稀缺性。該貨幣系統曾在四年內只有不超過一千零五十萬個，之後的總數量將被永久地限制在兩千一百萬個。

1.1.2　技術原理

比特幣網路透過隨機雜湊值為全部交易加上時間戳，將它們合併入一個不斷延伸的、基於隨機雜湊值的工作量證明（Proof of Work）鏈條作為交易紀錄，除非重新完成全部的工作量證明，否則形成的交易紀錄將不可更改。最長的鏈條不僅將被作為觀察到的事件序列（Sequence）的證明，而且被看做是來自CPU運算能力最大的池（Pool）。只要大多數的CPU運算能力都沒有打算聯合起來對全網進行攻擊，那麼誠實的節點將會生成最長的、超過攻擊者的鏈條。

1　交易

交易是比特幣系統中最重要的部分。系統中任何其他部分都是為確保比特幣交易可以被生成，能在比特幣網路中得以傳播和透過驗證，並最終被添加至全球比特幣交易總帳本（比特幣區塊鏈）。比特幣交易的本質是資料結構，這些資料結構中存放的是貨幣所有權的流轉資訊，所有權登記在比特幣地址上。

一枚電子貨幣是這樣的一串數位簽章：每一位所有者透過對前一次交易和下一位擁有者的公鑰（Public Key）簽署一個隨機雜湊的數位簽章，並將這個簽名附加在這枚電子貨幣的末尾，電子貨幣就發送給了下一位所有者，而收款人透過對簽名進行檢驗，就能夠驗證該鏈條的所有者。

該過程的問題在於，收款人將難以檢驗之前的某位所有者是否對這枚電子貨幣進行了雙重支付。通常的解決方案是引入可信的第三方權威，或者類似於造幣廠的機構，來對每一筆交易進行檢驗，以防止雙重支付。在每一筆交易結束後，這枚電子貨幣就要被造幣廠回收，同時造幣廠將發行一枚新的電子貨幣；而只有造幣廠直接發行的電子貨幣才算作有效，這樣就能夠防止雙重支付。該解決方案的問題在於，整個貨幣系統的命運完全依賴於運作造幣廠的公司，因為每一筆交易都要經過該造幣廠的確認，它就像是一家銀行。

我們需要收款人能夠採取某種方法，來確保之前的所有者沒有對更早發生的交易實施簽名。從邏輯上看，為了達到目的，實際上需要關注的只是本次交易之前發生的交易，而不需要關注這筆交易發生之後是否會有雙重支付的嘗試。為了證明某一次交易是不存在的，唯一的方法就是獲悉之前發生過的所有交易資訊。在造幣廠模型裡，造幣廠獲悉所有的交易，並且決定交易完成的先後順序。如果想要在電子系統中排除第三方中介機構，那麼交易資訊就應當公開宣布。這就需要整個系統內的所有參與者，都有唯一公認的歷史交易序列。收款人需要確保在交易期間絕大多數的節點都認同該交易是首次出現。

2　區塊

在比特幣網路中，資料以文件的形式被永久記錄，這些紀錄稱之為區塊。一個區塊是一些或所有最新比特幣交易的紀錄集，且未被其他先前的區塊記錄。可以把區塊想像為一個股票交易帳本。在絕大多數情況下，新區塊一旦被加入到紀錄的最後（在比特幣中的名稱為區塊鏈），就再也不能改變或刪除。每個區塊記錄了它被創建之前發生的所有事件。

區塊主要由兩部分構成，即區塊頭和區塊體。區塊頭用於連結到前面的塊，並為區塊鏈資料庫提供完整性的保證，區塊體包含了經過驗證的、區塊創建過程中發生的價值交換的所有紀錄。具體地講，每個資料塊包括神奇數、區塊大小、區塊頭部資訊、交易計數、交易詳情等部分。

區塊頭中記錄了版本號、父區塊雜湊值、Merkle根雜湊、時間戳、難度目標、隨機數（Nonce）等資訊。隨機數（Nonce）是一個挖礦難度的答案，該答案對於每個區塊都是唯一的。新區塊如果沒有正確的答案，是不能被發送到網路中的。「挖礦」過程的本質是在競爭中「解決」當前區塊，即確認該區塊的記帳權。每個區塊中的數學問題難以解決，但是一旦發現了一個有效解，其他網路節點很容易驗證這個解的正確性。對於給定的區塊可能有多個有效解，但對於要解決的區塊來說只需要一個解。每解決一個區塊，都會得到新產生的比特幣獎勵，因此每個區塊包含一個紀錄，紀錄中的比特幣地址是有權獲得比特幣獎勵的地址。這個紀錄被稱為生產交易或者Coinbase交易，它經常是每個區塊的第一筆交易。

　　區塊雜湊值更準確的名稱應該是區塊頭雜湊值，透過SHA-256演算法對區塊頭進行二次雜湊演算得到。區塊雜湊值可以唯一、明確地標識一個區塊，並且任何節點透過簡單地對區塊頭進行雜湊演算都可以獨立地獲取該區塊的雜湊值。但是，區塊雜湊值實際上並不包含在區塊的資料結構裡，不管該區塊是在網路上傳輸，還是它作為區塊鏈的一部分被儲存在某節點的永久性儲存設備上時。實際上區塊雜湊值是當該區塊從網路中被接收時，由每個節點運算出來的。區塊的雜湊值可能會作為區塊元資料的一部分被儲存在一個獨立的資料庫表中，以便於索引和更快地從磁碟中檢索區塊。

　　由於每一個區塊的區塊頭都包含了前一區塊的雜湊值，這就使得從第一個區塊至當前區塊連接在一起後形成一條長鏈，即比特幣區塊鏈。第一個區塊由中本聰在北京時間二〇〇九年一月四日02：15：05創建，該區塊也被稱為「創世區塊」（Genesis Block）[5]。新版本的比特幣系統將它設定為0號區塊，而舊版本的比特幣系統設定它的序號為1。它是比特幣區塊鏈裡所有區塊的共同祖先，這意味著從任一區塊循鏈向前回溯，最終都將到達創世區塊。每一個節點都「知道」創世區塊的雜湊值、結構、被創建的時間和裡面的一個交易。因此，每個節點都把該區塊作為區塊鏈的首區塊，從而構建成了一個安全的、可信的區塊鏈的根。

3　時間戳伺服器

　　比特幣的本質是構造了一個永不停息、無堅不摧的時間戳系統。時間戳伺服器透過對以區塊形式存在的一組數據實施隨機雜湊演算，並加上時間戳，然後將該隨機雜湊值進行廣播，就像在新聞或世界性新聞網路的發文一樣。顯然，該時間戳能夠證實特定數據必然於某特定時刻是的確存在的，因為只有在該時刻存在了，才能獲取相應的隨機雜湊值。每個時間戳應當將前一個時間戳納入其隨機雜湊值中，每一個隨後的時間戳都對之前的一個時間戳進行增強，這樣就形成了一個鏈條。

4　雙花問題

　　加密數位貨幣和其他數位資產一樣，具有無限可複製性的缺陷，例如同一個文件可以透過附件的形式保存並發送任意多次。如果沒有一個中心化的機構，人們無法確認一筆數字現金或資產是否已經被花掉或提取。為了解決「雙花」問題，可以透過可信賴的第三方機構保留交易總帳，從而保證每筆現金或資產只被花費或提取過一次。在區塊鏈中，每一個區塊都包含了上一個區塊的雜湊值，從創始區塊開始連結到當前區塊，從而形成區塊鏈。每一個區塊都要確保按照時間順序在上個區塊之後產生，否則前一個區塊的雜湊值是未知的。同時，由於區塊鏈中所有交易都要進行對外廣播，所以只有當包含在最新區塊中的所有交易都是獨一無二且之前從未發生過，其他節點才會認可該區塊。因此在區塊鏈中，要想「雙花」會非常困難。

5　拜占庭將軍問題

　　拜占庭將軍問題是一個共識問題，其核心描述的是軍中可能有叛徒，卻要保證進攻的一致。由此引申到運算領域，發展成為一種容錯理論。隨著比特幣的出現和興起，這個著名的問題又重新進入大眾視野。

　　關於拜占庭將軍問題，一個簡易的非正式描述如下：拜占庭帝國想要進攻一個強大的敵人，為此派出了十支軍隊去包圍這個敵人。這個敵人雖不比拜占庭帝國強大，但也足以抵禦五支常規拜占庭軍隊的同時襲擊。基於一些原因，這十支軍隊不能集合在一起單點突破，必須在分開的包圍狀態下同時攻擊。他們中的任意一支軍隊單獨進攻都毫無勝算，除非有至少六支軍隊同時襲擊才能攻下敵國。他們分散在敵國的四周，依靠通訊兵相互通訊來協商進攻意向及進攻時間。困擾拜占庭將軍們的問題是，他們不確定軍隊內部是否有叛徒，而叛徒可能擅自變更進攻意向或者進攻時間。在這種狀態下，拜占庭將軍們能否找到一種分散式的協議來讓他們能夠遠程協商，從而贏取戰鬥？

　　如果每支軍隊向其他九支軍隊各派出一名信使，那麼就是十支軍隊每支派出了九名信使，也就是在任何一個時間有總計九十次的資訊傳輸。每支軍隊將分別收到九封信，每一封信可能寫著不同的進攻時間。此外，部分軍隊會答應超過一個的攻擊時間，故意背叛發起人，因此他們將重新廣播超過一條的資訊鏈。這使得整個系統迅速變質成不可信的資訊和攻擊時間相互矛盾的糾結體。

　　比特幣透過對這個系統做一個簡單的修改並解決了這個問題，它為發送資訊加入了成本，這降低了資訊傳遞的速率，並加入了一個隨機元素以保證在同一個時間只有一支軍隊可以進行廣播。它加入的成本是「工作量證明」，這是基於運算一個隨機雜湊的演算法。

1.1　比特幣

1.1.1　產生背景

比特幣（Bit Coin）的概念最初是從中本聰在二〇〇八年發表的論文〈比特幣：一種點對點的電子現金系統〉中提出。這種電子現金系統起始於按中本聰的思路設計、發布的開放軟體及建構於其上的P2P（Peer to Peer）網路。比特幣是一種P2P形式下的數位貨幣。點對點的傳輸意味著一個去中心化的支付系統。

與大多數貨幣不同，比特幣不依靠特定的貨幣機構發行，它依據特定演算法，透過大量的運算產生。比特幣經濟是指透過使用整個P2P網路中，眾多節點構成的分散式資料庫來確認並記錄所有的交易行為，並使用密碼學的...

編委會
序
前言
第一章　區塊鏈之前世今生
　　1.1 比特幣
　　1.2 區塊鏈
第二章　通往區塊鏈之路
　　2.1 區塊鏈與行業應用
　　2.2 區塊鏈與人工智慧
　　2.3 區塊鏈與未來金融
　　2.4 區塊鏈與大數據
第三章　區塊鏈應用場景
　　3.1 存在性證明
　　3.2 智慧合約
　　3.3 供應鏈
　　3.4 身份驗證
　　3.5預測市場
　　3.6 資產交易
　　3.7 電子商務
　　3.8 文件儲存
　　3.9 物流
　　3.10 交易所
　　3.11 醫療應用
第四章　區塊鏈實踐
　　4.1 以太坊
　　4.2 公證通
　　4.3 比特股
　　4.4 瑞波
　　4.5 Hyperledger
第五章　走向未來之路
　　5.1 鏈遍江湖，鏈鏈不同
　　5.2 區塊鏈網路動力學
　　5.3 區塊鏈的自我組織
　　5.4 三體與區塊鏈
　　5.5 互聯網+走向區塊鏈+
　　5.6 物聯網走向物「鏈」網
　　5.7 構建基於信用的下一代互聯網
參考文獻

編委會
序
前言
第一章　區塊鏈之前世今生
　　1.1 比特幣
　　1.2 區塊鏈
第二章　通往區塊鏈之路
　　2.1 區塊鏈與行業應用
　　2.2 區塊鏈與人工智慧
　　2.3 區塊鏈與未來金融
　　2.4 區塊鏈與大數據
第三章　區塊鏈應用場景
　　3.1 存在性證明
　　3.2 智慧合約
　　3.3 供應鏈
　　3.4 身份驗證
　　3.5預測市場
　　3.6 資產交易
　　3.7 電子商務
　　3.8 文件儲存
　　3.9 物流
　　3.10 交易所
　　3.11 醫療應用
第四章　區塊鏈實踐
　　4.1 以太坊
　　4.2 公證通
　　4.3 比特股
　　4.4 瑞波
　　4.5 Hyperledger
第五章　...