MIT Blockchain and Money 学习笔记（Lecture 4）：区块链基础与共识机制
📌 本节课是比特币核心机制的进一步剖析，关注区块链的共识机制设计，主要包括 工作量证明（Proof of Work）、挖矿机制（Mining）、激励机制（Native Currency）、节点与网络结构（Network），并对其他共识机制进行初步引入
📖 Study Questions
拜占庭将军问题（Byzantine Generals Problem）
比特币中的工作量证明（Proof of Work）和挖矿（Mining）机制是如何解决拜占庭将军问题的？
更广义地讲，区块链技术是如何应对该问题的？
其他共识协议（Other Consensus Protocols）
除了工作量证明之外，其他共识算法（如权益证明 Proof of Stake 等）有哪些权衡与利弊？
经济激励机制
区块链系统中，经济激励机制是如何帮助维持去中心化账本的一致性，并避免“双重支付”（Double Spending）问题的？
共识协议与挖矿行为中的激励设计
各类共识机制下，参与者（如矿工、验证者）是如何通过激励制度被驱动来维持整个网络运行的？
🧠 知识回顾：比特币的区块链架构
区块链的存储结构：带时间戳的追加式日志（timestamped append-only log）
append-only 指仅支持追加写入，不可修改，从而保证数据的 immutability（不可篡改性）。
虽然是防篡改的结构，但仍可能遭受攻击。例如攻击者可以尝试构造一条更长的链（fork），借此替代现有链。
比特币中，通过工作量证明（PoW）的难度设计，确保构造更长链的成本极高，从而保障了安全性。
中本聪在原论文中对此做了概率上的数学论证。
即使链被分叉，用户若仍持有私钥，则其原有资产不会丢失。
比特币技术栈简述（从 Lecture 3 到 Lecture 5 的串联）
Lecture 3：加密学与区块链数据结构（hash、签名、时间戳日志）
Lecture 4：去中心化共识机制（本讲）
Lecture 5：交易模型与脚本系统（Transaction Script & UTXO）
三者共同构成了比特币的核心技术生态。
🔑 核心概念 1：Byzantine Generals Problem（拜占庭将军问题）
问题描述：多个将军分布于不同地点，必须就“是否进攻”达成一致，但其中可能有叛徒传递错误信息。该问题抽象为在不可信网络中达成共识的难题。
Blockchain 用去中心化协议实现“无中心信任”的状态机复制，本质上是这一问题的工程解法。
🔧 共识机制一：Proof of Work（PoW）
起源：Hashcash（Adam Back, 1997）
最初设计用于防止 Email 的 DoS 攻击。核心思想是：
为了完成某项操作，必须找到一个符合特定条件的哈希值（通常是前导 0 的数量）。
哈希值可快速验证，但求解过程计算量大，具备抗 spam 特性。
比特币的创新点：
Chained Proof of Work for Distributed Consensus and Timestamping.
比特币将工作量证明与区块链接（区块头中引用前一个区块的哈希）结合，用于构建最长链共识机制。
每个区块的哈希计算内容包括：
sha256(prev_block_hash + tx_merkle_root + timestamp + nonce)网络中默认在“当前最长链”上继续挖矿。
链的“最长”代表最多算力的累积投入，从而形成一种去中心化的共识。
挖矿主链与分叉示意：
示例图（主链 vs 短分叉）：
紫色分支：可能由广播延迟或多个矿工同时出块造成的临时分叉。
黑色主链：最终成为全网默认的主链。
没有被接续的分支最终被抛弃，称为“孤块”或“stale block”。
⏳ 被抛弃链上的交易不会永久丢失：因其仍存在于其他节点的 mempool 中，可能在之后重新打包进主链。
💡 我个人觉得这种机制和传统系统中的消息队列有些相似，比如未确认的消息会在未来被重新消费
Bitcoin Proof of Work Difficulty
比特币网络的出块难度与目标哈希值的前导零数量有关。目标值越小，意味着找到一个合格哈希的概率越低，从而增加了难度。
比特币网络每 2016 个区块（大约每两周） 会进行一次难度调整，以确保平均每 10 分钟 出一个块。
举例来说，最初的创世区块（Genesis Block）包含了 10 个 16 进制的前导零，实际上当时的要求只是 8 个前导零，也就是说创世区块的哈希实际上比规定的还要难找，这是一种更强的“成功条件”。
随着越来越多的计算设备参与挖矿，网络的总算力（Hashrate）不断提升，挖矿难度也随之不断增加。
Bitcoin Mining Evolution（比特币挖矿技术的演进）
我们通常用 Hashrate（哈希率）来衡量节点解题（即解决 PoW 难题）的能力，其历史演进如下：
CPU 挖矿（2009 – 2010）：2 - 20 MH/s
GPU 挖矿（2010 – 2013）：20 - 300 MH/s
ASIC 专用芯片（2013 – 2018）：4 – 16 TH/s
现代化大型矿场（2018 至今）：集群化挖矿，效率更高，耗电也更大
一个核心问题是：挖矿的收益以比特币结算，而成本以法币计价。因此：
比特币价格波动会直接影响挖矿利润；
挖矿难度会影响经济的盈亏平衡点；
若难度过高，利润下降，可能会导致一些矿工退出；
然而比特币网络会自动调整难度，形成一个经济与技术协同调节的动态平衡机制。
Mining Pools（矿池机制）
由于独立挖矿回报具有不确定性，矿工往往联合组成矿池（mining pools），一起挖矿、按算力分配奖励，从而获得更稳定的收益。
矿池中的收入分配仍然基于 PoW 原则：谁贡献的算力多，谁获得的奖励多。
💡 课堂讨论亮点： 有同学提问——“矿池是否可以联合限制挖矿数量，以降低整体难度？”
教授一语点破：比特币是一个开放的网络。
也就是：你不挖，总有人挖。
所以矿池之间达成限制协议没有意义，任何人都可以加入进来参与竞争。这也凸显了比特币网络的开放性与去许可性（permissionless），但也确实有点黑色幽默。😂
51% 攻击
现实中更值得担心的是所谓的 “51% 攻击”：
如果某个实体控制了超过 50% 的算力，就可能通过分叉等方式篡改交易记录；
虽然多个研究论文提出了攻击模型和防御策略，但截至目前，比特币尚未发生真正的 51% 攻击；
然而这也是人们对矿池集中化趋势的一个长期担忧。
Native Currency（原生代币）
区块链系统通常设计有自己的原生代币，作为其经济激励的基础。以比特币和以太坊为例：
比特币（BTC）
每个区块会生成一个Coinbase Transaction，创建新的 BTC；
货币发行政策写死在比特币协议中；
初始每个区块奖励 50 BTC，每 210,000 个区块减半；
当前每个区块奖励约为 12.5 BTC，通胀率约为 4.1%；
目前已有约 1730 万枚 BTC，最终总量 2100 万枚（预计 2140 年）；
除出块奖励外，还有交易手续费（market-based fee）作为补充激励。
以太坊（ETH）
每个区块奖励约为 3 ETH，通胀率约 7.4%；
有提案计划将其降低到 2 ETH（2018年11月左右）；
手续费系统为 Gas 机制，以用于支付计算资源消耗；
每笔交易的费用单位是 Gas × Gas Price，结算单位为 Wei（1 ETH = 10^18 Wei）；
注：课程资料将 Gas 写为单位略有问题，实际 Gas 是“计量单位”，而非费用单位。
📌 我的思考： 货币机制会深刻影响区块链的共识与经济模型。区块链不仅是技术系统，更是经济系统。设计合理的发行机制和激励机制，是确保网络健康发展的关键。
Currency or Asset?（加密货币到底是不是货币？）
课堂中有一个引发热烈讨论的问题：
“比特币是真正的货币，还是只是具备货币特征的资产？”
有同学回答说，判断一个事物是否是货币，可以从以下三个角度来看：
Unit of Account（记账单位）
Store of Value（价值储藏）
Medium of Exchange（交换媒介）
从这个角度来看，比特币在自己的体系内的确具备上述三种功能，因此可以视为一种货币。
但是否是“真正的货币”，在现实世界中仍存在较大争议——尤其是在监管层面。
Bitcoin Network 架构
比特币网络中包含如下几种关键角色和组件：
Full Nodes：存储完整区块链，可验证所有交易；
Pruning Nodes：在验证后会丢弃旧交易以节省空间；
Lightweight Nodes (SPV)：只存储区块头信息；
Miners：执行 PoW，打包区块，不需要是全节点；
Mining Pool Operators：组织矿池运营，带来效率但也引入了部分中心化；
Wallets：用于生成私钥、公钥，查看、发送和接收交易；
Mempool：保存所有待确认但已验证的交易。
💡 一点思考： 矿池作为中介组织，在分布式网络中扮演了“效率中枢”的角色，但也因此被视为可能的中心化隐患，有人称之为比特币系统的“阿喀琉斯之踵”。
Alternative Consensus Protocols（替代共识机制）
目前除了 PoW，还有一些共识机制正在被研究或应用，通常可以分为：
随机化选举机制：
Proof of Stake (PoS)：按持币数量（stake）决定出块概率；
Proof of Activity：结合 PoW 和 PoS 的混合机制；
Proof of Burn：销毁代币以换取出块权；
Proof of Capacity：基于存储空间的共识机制；
委托型机制：
通常基于权限节点分层；
例如 DASH 采用的是 PoW + 主节点（Masternodes）混合机制；
NEO 则采用了“专业节点”的委托协议。
📌 总结：目前还没有一个被公认的完美替代 PoW 的机制，PoW 依然是主流大公链的首选。
Study Questions（课后问题与我的思考）
1. 比特币如何记录交易？什么是 UTXO？嵌入交易中的脚本代码是怎样的？它的编程能力如何？
比特币采用 UTXO 模型（未花费交易输出）来记录交易；
每个交易输入都引用之前某个交易输出；
比特币交易中嵌入的脚本称为 Bitcoin Script，用于锁定和解锁输出；
它是一种非图灵完备的语言，只能完成固定逻辑，不能做复杂编程；
这也体现出比特币“只为代币而设计”的局限性，而以太坊则追求更强的通用性。
2. 在许多技术如公钥加密、哈希函数、数字现金和 PoW 都早已存在的情况下，中本聪的真正创新是什么？
我认为，中本聪的真正创新是：
将这些技术整合为一个协调运行的系统；
创造性地引入了去中心化的经济激励机制；
构建了一个无需信任中介即可达成共识的系统架构。
这个设计虽然看似“拼接已有组件”，但其系统性的创新，是颠覆性的。
我也非常期待下一讲能深入学习 Bitcoin 的交易与账本机制（Transaction & Ledger），继续探索这个复杂而有趣的去中心化世界。