零、比特币的诞生
传统金融交易是以信用为基，就不可避免会导致出现违约风险，商家和消费者需要互相警惕被对方欺诈，可逆转的交易方式（reversible transaction）为买卖双方都增添了难以消除的交易风险。
为了尽可能的减少信息差、减少交易风险，交易费用不得不增加。在提高交易双方的安全感的同时，高昂的交易费用也对交易规模有所限制，略显随意的小规模交易被市场摒弃。
而电子支付系统中的比特币交易，不再是以信用为基础，而是借助加密技术来开展双方点对点交易（Peer-to-Peer），从实现效果来看，比特币交易不可逆转。使用点对点的、分布式的时间戳服务器（Timestamps Server，后做详细解释）去生成基于算力的证明，并按照时间顺序记录每条交易。理论上，只要系统节点（Honest Nodes）比系统入侵者掌握更多的CPU算力，该系统就能稳定运营。
一、哈希函数
1.哈希函数的含义
哈希函数（Hash Function），也叫散列函数，是指将长度可变的输入（消息、数据块等）通过哈希算法，转换成固定长度的输出的一个过程。该过程的输出值被称为哈希值。在这里提供一个简单的哈希计算器，供大家体验学习
2.哈希函数的性质
- 正向简单：从一个输入值计算出哈希值是简单的，高效的。
- 逆向困难：从一个哈希值倒推出输入值是困难的。
- 异入异出：不同的输出值一般将计算得出不同的哈希值。
- 变动敏感：即使一个输入值发生微小的变动，计算得出的哈希值也会产生巨大的变化
3.哈希函数的类别
- SHA系列
SHA（Secure Hash Algorithm），是美国国家标准与技术研究院（NIST）和国家安全局(NSA)设计的一类标准的哈希算法。SHA系列算法主要包括3类，分别被命名为SHA-1，SHA-2，SHA-3。其中，SHA-2包括SHA-224，SHA-256，SHA-384，SHA-512。比特币采用的就是SHA-256的哈希算法。
- MD系列（不安全）
- 国密算法
4.哈希函数的应用
- 消息验证
为了确认消息发出后是否被篡改，消息发送方可以借助非对称加密，将消息进行加密后，并将该消息及其哈希值一并发送给消息接收方；消息接收方根据收到的消息进行哈希运算，并与受到的哈希值进行比较，从而便可以判断消息是否被篡改、伪造或者出现差错。
- 唯一标识
为了方便区分各种消息或文件，可以通过哈希计算得出其哈希值，并将哈希值作为消息或文件的唯一标识
二、公钥密码学和转账交易
比特币交易是如何进行的呢？
首先需要解释一下比特币的账户系统。比特币的账户系统使用
在比特币交易系统中，一次交易发生时，数字币需要在之前记录的末尾附加记录数字签名（digital signatures）—— 即上一笔交易的哈希值（Hash，后做详细解释），以及新所有人公钥（Public Key）。这就形成了信息链，每次交易信息中都包含上次交易信息。
为了检查是否有每笔交易的准确性（避免单币多重支付），每一次交易后，交易记录会被公开宣布，所有节点参与者会认同其所接受的同一且唯一的交易历史。
因此每个待确定交易在被证明有效发生前，需要当前的交易信息被大多数节点认同其符合交易历史。
三、打包交易：默克尔树
1. 默克尔树的含义
默克尔树（Merkle Tree）是哈希函数不断通过递归计算而得到的一个数据集合。
2. 默克尔树的形成过程
如上图，假设我们有A B C D四个数据块，将这四个数据块创建对应的默克尔树。
第一步，将每个数据块分别进行哈希运算，得到的结果我们成为叶节点（leaf）；
第二步，将相邻的两个叶节点，也即哈希块，分别作为“左子树”和“右子树”，将它们串联作为哈希算法的输入，进行哈希运算，得到上一个父节点；
第三步，重复第二步，直到得到一个单一的哈希值，从而形成了一棵完整的默克尔树
3. 默克尔树的应用
- 可信计算
- P2P下载
- 简化支付验证
四、区块链
时间戳提供了上述假设成立的可能。通过为一组（block）记录（record）的哈希打上时间戳，继而把哈希值向所有节点广播，时间戳可以证明记录的存在，并且每个时间戳在其哈希值种包含着之前的时间戳。
而在当前区块基础上，寻找并生成新的哈希值并非易事。系统采取了一个工作证明（Proof of Work）的计算方式，在当前区块中增加一个随机数（Nonce），并在此基础上，找到一个满足给定条件的哈希值，该寻找过程没有任何捷径，只能通过算力不断随机计算。
一旦满足条件的哈希值被某个节点计算寻找出，该链条就会得到延长，这条最长链会向其他所有节点进行广播，然后此链形成新的共识，不得发生任何改变。
更具体而言，如果希望改变时间戳网络中的一个信息（攻击系统以谋求数据篡改和欺骗），则需要重新完成该信息之后所有节点的哈希运算，并且还需要追赶并反超最长链的工作，这在占据大多份算力的节点系统中，是不可能发生的。
五、总结
总结来看，网络（Network）运行的步骤如下：
1. 所有新的交易向所有节点广播;
2. 每个节点将新交易打包到一个区块;
3. 每个节点开始为此区块找一个具备难度的工作证明;
4. 当某个区块找到其工作证明，它就要将此区块广播给所有节点;
5. 众多其他节点当且只当以下条件满足才会接受这个区块:其中所有的交易都是有效的，且未被双
重支付;
6. 众多节点向网络表示自己接受这个区块的方法是，在创建下一个区块的时候，把被接受区块的哈希当作新区块之前的哈希
节点始终认为最⻓链是正确的那个，且会不断向其添加新数据。
六、思考
毫无疑问，比特币通过结合哈希和公钥密码学创造了一个去中心化账本。但是让我们回到比特币创立的初衷，减少信息差、减少交易风险，交易费用，这些比特币真正做到了吗？目前比特币的TPS（Transaction Per Second, 每秒交易次数）仅为7左右，相比之下Visa网络的TPS已经上千；非法资金转移、随着比特币价格水涨船高的交易费用，都是比特币面临的现实问题。面对这些问题，许多新公链蓬勃发展，提供更高的TPS、更低的交易费用，还有像闪电网络这样基于比特币的Layer2来提高交易性能。
贡献者
- 万晓强
- 陈通
- 张劲松
推荐资料：
王思远 张华:《区块链概论》，北京大学出版社