最近做了一些区块链安全的相关研究，发现虽然这个概念非常火，但是真正想了解却不容易。区块链技术从最初的 比特币（Bitcoin）发展至今，各种用途、各种概念的加入，使得它变成了一个高度灵活的体系。也正是因为技术的蓬勃发展，使得区块链在除了电子货币的领域也得到了应用。
区块链这个世界的起源，从中本聪的那篇论文《 Bitcoin: A peer-to-peer electronic cash system》[1]开始。他提出了一种不依赖第三方的、在P2P网络上运行的现金交易系统，可以完成转账并防止双重支付(Double-spanding，也称为双花)。因此，区块链技术的本源是一个分布式账本。
区块链、比特币，到底是什么关系？
在谈论具体技术之前，需要先搞清楚基本概念：比特币是什么，而区块链又是什么？如果不说明这两者的关系，后文中的很多概念都会混淆。
比特币
在2008年，中本聪第一次提出了 ”点对点电子货币系统“ 的概念，并命名为 ”比特币（Bitcoin）“。在他的论文[1]中，阐述了他构建这个系统的基础：区块（Block）用于记录一定的交易，每个区块之间通过哈希值连接起来（有点像链表的结构，当前区块记录上一个区块的哈希值），这样就形成了链（Chain）的关系。
实际上，在中本聪的论文中，全篇都没有提及区块链（Blockchain）这个词汇，只是分别说了区块（Block）和链（Chain）的概念。
区块链
比特币概念的提出似乎更倾向于一个概念，因为在2009年中本聪本人挖出第一笔奖励的时候，也无法预估使用人数、未来的使用场景。在对一个区块的大小进行定义的时候，由于当时使用人数很少，且设置较大可能会更容易引发垃圾交易（SPAM Tx）[2]，中本聪给出了1MB大小这一数字。而一笔交易所占用的大小约为200-300Bytes，有些交易可能会更大。因此，比特币的交易性能较差（约每秒7笔）。
由于区块链是公有链，因此区块信息很容易查询和验证。比如可以访问Bitcoin Explorer来查看比特币链的信息：
图1. Blockchain.com 区块查询页面
可以看到这个区块包含的交易数是4246个，大小1424327B，平均一个交易的大小是约335B。
显然，这个交易速度实在太缓慢，此外比特币链的功能也较为单一，只能记录交易信息。因此，在比特币火了之后，各种各样的”魔改“版本出现，解决了各自的需求。比如有些提高了交易的效率，有些支持智能合约，能运行复杂逻辑（以太坊等），有些针对业务场景进行了优化（瑞波币）。
这些不同的”分布式数字货币系统“的原理类似，只是在一些具体技术上进行了一些改进和妥协，不能被称之为”比特币“。因此，根据这类技术的共同特点，称之为”区块链“技术。
Bitcoin是如何运行的
[3]中指出，区块链就是一个安全的分布式数据库，保存交易记录。“A blockchain functionally serves as a distributed and secure database of transaction logs”。在这样一个系统中，需要解决以下问题：
- 在一个分布式网络中，没有中心节点给出“权威”数据，怎么保证大家记账的内容都一样呢？
- 在分布式环境中，如何证明 “A向B转账1BTC“ 这条交易记录确实是A发出的，而不是其他人伪造的呢？
- 怎么保证A不会将一笔钱同时转给两个收款方？（比如A账户余额只有1个BTC，他向一部分人宣布给B转账1BTC的同时，和另一些人说这1BTC是转给C的）
因此，Bitcoin中设计了一些机制，来解决上述问题，但是方案在实现的时候可能就无法按照想象那么美好，实际运行中Bitcoin以及其他区块链还是出过很多安全事故。下面以Bitcoin为例，简要说说区块链技术，在理论层面如何保障分布式环境交易安全的。
问题的答案
上面列出的三个问题，是我个人认为在Bitcoin中比较重要的理论基础，也是我认为中本聪这套机制特别巧妙的地方。当然，在他的原论文中讨论的问题也不止这三个，但这里先回答这三个问题，其他方面的机制后面再慢慢覆盖，先对Bitcoin有个直观的认识。
-
在一个分布式网络中，没有中心节点给出“权威”数据，怎么保证大家记账的内容都一样呢？
（通过Bitcoin的 共识机制 和 网络通信准则）
-
在分布式环境中，如何证明 “A向B转账1BTC“ 这条交易记录确实是A发出的，而不是其他人伪造的呢？
（交易记录中的 公钥 和 签名 机制）
-
怎么保证A不会将一笔钱同时转给两个收款方？（比如A账户余额只有1个BTC，他向一部分人宣布给B转账1BTC的同时，和另一些人说这1BTC是转给C的）
（需要全部的参与方共同验证，即大部分的节点是诚实的、少数服从多数）
下面逐一进行说明。
如何达成共识
共识机制是区块链中的一个非常重要的技术，任何声称自己是”区块链“的技术都绕不开共识。Bitcoin采用了 Proof-of-Work 的方式来进行共识。
Proof-of-Work（PoW），即工作量证明，是通过增加成本来限制攻击者攻击的方法。Bitcoin是一个开放的系统，任意节点都可以通过部署客户端加入到这个系统中。参与PoW的节点称为”矿工“节点，这与现实中付出劳动”挖矿“并获取工资的行为非常类似。
Bitcoin的区块简单来说就是包含一系列交易的一个数据段。其中，除了交易信息Tx，还有上一个区块的哈希值Prev Hash，以及一个可变字段Nonce。
图2. 区块示意图[1]
矿工们需要做的就是，根据系统给定的”难度“（即计算出的目标哈希前面有多少0，具体形态可以参见图1），尝试改变Nonce字段的内容，使得计算的结果满足难度要求。
一旦发现满足要求的随机数，发现这个数字的矿工就向全网广播这个区块，其他矿工验证通过后，就将这个块记录下来，作为得到认可的交易数据。然后将这个区块的哈希值放到下一个块中，继续计算。
“挖矿原理”一文中有更简洁的解释。
为什么矿工要按规则挖矿？
一个矿工节点，在找到正确的Nonce之后是有比特币奖励的。
这个奖励会写在当前的区块中。如果矿工不按照规则去进行，那么他计算出的区块不被其他人认可，自然也无法得到这笔奖励。因此矿工必须遵守规则，按照上述规则生成区块，得到其他节点的认可，从而获取奖励。
PoW是如何保证共识的？
由于寻找符合要求的Nonce非常复杂，但验证很简单，且区块中的交易被改动的话，整个区块的哈希会变化，因此一旦找到了Nonce就能防止区块被篡改。
同时，挖矿是有收益的，这个收益的来源是基于遵守规则的情况下。遵守规则，就有可能在挖矿中获取比特币奖励的正向激励；不遵守规则，虽然没有惩罚措施，但是发出的区块不会被其他节点记录，对整个系统几乎没有什么影响。
这种方式真的安全吗？
Bitcoin使用的PoW共识需要大部分节点的诚实。作为一个分布式、没有可信第三方的场景，只能通过少数服从多数的原则来保障多数人的利益。
随着Bitcoin规模的不断增加，应该会越来越安全。由于寻找Nonce是一个概率问题，因此掌握算力的比例占全网总算力的比例越高，算出下一个区块的概率越大。但只要不是区块的产出一直控制在一个矿工手里，那相对来说就是安全的。
具体的内容会在共识机制的部分详细的讨论。
如何证明转账信息不是伪造的？
这里使用了公钥和签名来完成。
图3. 交易（Transaction）示意图[1]
通过在交易里包含转账人的公钥，以及对交易信息+公钥进行签名，即可保证这条信息是由转账者本人发起的。
当然，前提条件是，私钥是保存完善的。一旦私钥泄露，那么你的账户余额就不保咯。
如何防止双花（Double Spending）？
首先，在Bitcoin体系中，是没有传统的账户概念。因为区块链不断延长，不可能每次转账要检查账户余额的时候，都从链头检索一遍。
首先，区块链引入“未花费交易输出（UTXO）”的概念，可以追溯某一笔交易的“前世今生”。“UTXO模型”一文有比较清晰的阐述。
其次，在确定转账余额充足后，矿工节点会检查待生成区块中的全部交易，是否有问题。就包括同一笔金额是否被转给两个收款方。如果遇到问题，矿工节点一般会删除这个交易，以保证一笔钱只转给一个收款方。
如果有人作恶
有两种情况：
- 矿工节点作恶：在生成区块时，不按照规定删除冲突的交易，而是正常生成
- 交易者作恶：交易者有选择的给不同的矿工节点发送交易，尝试让他们同时生成两个各自含有冲突交易的区块
对于情况1：
? 其他矿工节点接收到挖出的新区块时，会检查其内容。如果发现有问题将拒绝接收。
对于情况2：
? 首先，两个节点同时生成区块太难了。即使有这种情况，其他节点会选择其中的一个，在上面继续延伸。选择的机制在分叉的处理部分会提及。
总结
比特币的出现，解决了分布式环境下，没有可信第三方的场景中的交易问题，但有其局限性。为了扩展其使用场景，出现了各种各样的“币”，以及其他形式。借用中本聪文章里对于Bitcoin的描述，成为“区块链”。
Bitcoin通过PoW的共识方式保证所有矿工节点记账都是一致的，即使有人作恶，也会因为少数服从多数的策略而失败；通过签名和公钥的方式来进行身份的验证；矿工节点记录区块和生成区块的时候，进行验证以防止双花。
参考文献
[1] Nakamoto S. Bitcoin: A peer-to-peer electronic cash system[R]. Manubot, 2019.
[2] 佚名. 比特币扩容纷争：双链的诞生. https://zhuanlan.zhihu.com/p/30930715, 2017-11-15.
[3] Zhang R, Xue R, Liu L. Security and privacy on blockchain[J]. ACM Computing Surveys (CSUR), 2019, 52(3): 1-34.