中本聪原始比特币论文解读：点对点的电子现金系统
摘要：
解读中本聪比特币的论文《Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System》
中本聪比特币论文的结构
下面是发展于2008年10月31日， 中本聪比特币的论文《Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System》一种点对点的电子现金系统的目录：
1.Introduction 简介
2.Transactions 交易
3.Timestamp server 时间戳服务器
4.Proof-of-Work工作量证明
5.Network 网络
6.Incentive 激励
7.Reclaiming Disk Space 回收硬盘空间
8.Simplified Payment Verification 简化的支付确认
9.Combining and Splitting Value 价值的组合与分割
10.Privacy 隐私
11.Calculations 计算
12.Conclusion 结论
中本聪原始比特币论文的逻辑结构如下：
1 点题：点对点、分布式的时间戳（timestamp）服务器，原则是算力为证（computational proof）。
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2 通过签名的交易电子货币->引出要解决双重支付（double-spend）问题；
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3 （实现基础）时间戳（Timestamp ）服务器，构建区块（block）链（chain）
4 （实现基础）区块补随机数，得到工作量证明（Proof-of-Work）
5 网络的工作流程
6 由激励机制产生新货币，替代中央权威（ central authority ）
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7 （优化）打桩（stubbing）老区块->优化磁盘
8 （优化）不完整节点也能确认工作量证明
9 （优化）多输入多输出的可能性
10 （优化）隐藏公钥来保护因素；
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11 攻击者节点可能有情况；概率指数级
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12 实现了不依赖信任的电子交易（electronic transactions without relying on trust）。
本篇文章标题里面提出的是Bitcoins（比特币），文中重点则是区块链这种思路的实现。
在原始的论文中，大概是这样的思路：
目标很明确，找到一种“不依赖信任的电子交易方法”，
因此需要解决支付的问题，
方法是通过时间戳服务器的工作量证明
在实现的主流程中，又增加了一些优化的方法
原始的论文对于具体的实现其实比较简略，里面有一些默认知识——比如分布式系统、密码学。
背景知识
1 去中心化的结构
传统的交易系统，是依赖中心化的结构的，其实也就是银行，也被称之为信任机构。
在去中心化的结构中，奉行的是点对点的结构，这些点在分布式系统中是对等的存在，也就是被称之为每一个Nodes。
节点代表分布式系统中的计算机，有无中心化有着本质的区别。
下面是中心化的结构结构，在交易系统中，银行代表的就是中心节点。
下面是无中心化的结构，各个节点是对等的关系，也称之为点对点（Peer-To-Pear）。
2 哈希函数
哈希函数（Hash function）是一种从任何一种数据中创建小的数字“指纹”的方法。
哈希函数的基本原则就是：
哈希函数可以有不同多种算法；
哈希函数不可逆，从输出不能得到输入；
同一个哈希函数的输出不同，输入一定不相同；
同一个哈希函数的输出相同，输入大概率相同的，也可能不同；
同一个哈希函数的输入不同、输出相同情况称为哈希碰撞；
下面图表示了哈希函数的各种情况。
下面是常见哈希函数的表格。
例如：
MD5的输入不限长度，输出是是产生128位（16字节）的哈希值；
SHA-256是SHA-2的一种，输入限定为2^64-1，输出256位（32字节）的哈希值，
3 非对称加密
非对称加密（Asymmetric cryptography）是单向加密算法，密钥由一对组成：
公钥（Pulic Key）
私钥（Private Key）
要一条密钥加密后只能用相对应的另一条密钥解密。
下面是公钥、私钥的加密、解密的特点。
公钥和私钥是成对生成的，对于非对称加密来说，公钥可以公开，私钥不可以公开。
非对称加密有下面几个场景：
下面与Bob用Alice的公钥加密，将自己信息传输给Alice的过程。
下面是Alice用自己的私钥签名，将内容发布，证明本段内容出Alice自己的方法。
下面则是描述了迪菲-赫尔曼密钥交换（Diffie–Hellman key exchange）。
《1.Introduction 简介》：区块链的目标
《2.Transactions 交易》：进行传输
本节首先介绍了基本交易的情况，这里面涉及了非对称加密的过程。
每一个交易者需要做的事情是，通过下面两个部分生成一个Transaction：
上面的图要从中间一个开始看，这也就是Owner 1生成的交易（Transaction）。#1也就是对应图中的hash，#2也就是图中Owner 2's Public Key，用Owner 1's Privete Key签名之后，形成了Owner 1's Signature。因此，每个人都可以知道，这个Transaction是Owner 1发出的。
根据非对称加密的远离，由于别人没有Owner 1的私钥，因此不能篡改内容，也能证明这个内容肯定就是Owner 1发布的。
此处引出了另一个问题，Owner 1本身有可能有双重支付（double-spend），如果没有中心化的信任机构，则需要进行公开宣称（publicly announced），然后收款人（payee） 得到大多数接节点的认可——首次出现。
《3.Timestamp server 时间戳服务器》：形成区划链
本节介绍的时间戳服务器的本质是，将数据加上timestamp然后进行哈希，逐个数据因此形成了一个链。
《4.Proof-of-Work工作量证明》：增加计算负担
本节提出的工作量证明是一个负担，让每一步的生成有更多的计算量，这样做的目的是增大计算的成本。
为了保证不被篡改，通过incrementing a nonce in the block的手段，用随机数（nonce）附加在内容的后面，以产生N个0作为约束条件，以工作量最大的结果作为共识。
例如，SHA-256的哈希结果是256位、32个字节，如果要求前面有8个0，那么就是前面一个字节为0，在找随机数的时候，就需要反复试验，直到找到为止。 至于有多少0的要求，则就是难度。
由于哈希算法的不可逆性，因此找到一个满足条件的哈希值很难，而验证这个数值正确与否却很容易。因此，只要算出来，很多可以达到多节点的共识。
上面的逻辑是，在以CPU为大多数表决的系统中，如果大多数CPU是诚实的，结果就是正确的。
Block Size：4字节，区块大小 Block Header：80字节，区块头 Transaction Counter：1-9字节，交易的数量 Transactions：交易的内容
Version：4字节，版本号 Previous Block Hash：32字节，上一个区块的头，SHA256哈希 Merkle Root：32字节，Merkle的根 Timestamp：4字节，UNIX时间戳 Difficulty Target：4字节，难度目标 Nonce：4字节，随机数，用于达到工作量证明
《5.Network 网络》：基本流程
本节已经给出区块链运作的基本的流程，网络（Network）的意思是多个节点（Node）组成的分布式系统。
区块链网络工作的过程是：
在区块链的运作过程所，每一个节点在争取“记账”的权力——有共识的区块，因此节点们都在努力算，首先算出来的可被接受。
上面意思是，交易广播不需要达到全部的节点，节点丢了区块也可以补回来。
《6.Incentive 激励》：
激励（Incentive）的作用是要节点记账，否则节点没有动力去记账。
在区块链节点记账的过程中，有两种收益，一种是交易费的差价，一种是新货币。
对于比特币系统来说，如果所有币都已经被挖完，那就只有交易费，而没有新货币的奖励。
待续
《7.Reclaiming Disk Space 回收硬盘空间》：
《8.Simplified Payment Verification 简化的支付确认》：
《9.Combining and Splitting Value 价值的组合与分割》：
《10.Privacy 隐私》：
《11.Calculations 计算》：
《12.Conclusion 结论》：