MIT Blockchain and Money 学习笔记（Lecture 3）：区块链基础与密码学原理
继第一节课对整门课进行了概览，第二节聚焦于“money”与“ledger”这两个核心概念，本节课我们终于正式进入区块链技术本体的学习。课程重点聚焦在比特币（Bitcoin）这个第一个区块链应用，从它的技术实现中引出区块链的底层逻辑。
课程导入与定位
本节目标是：
Learn some of the technical underpinnings of blockchain technology through the lens of Bitcoin.
教授强调了一点我特别赞同的：
"The only way that any of us can get to ground truths is to know a little bit about how the inner workings of this technology are."
虽然不要求掌握底层代码，但必须对技术逻辑有基本的认知，这点对我们开发者来说尤为重要。
同时教授提醒，比特币只是区块链技术的一个用例（use case），不要以偏概全。
Study Questions
课程提出几个思考维度：
区块链的设计特征包括哪些？
加密算法（cryptography）
追加式、时间戳标记的区块（append-only timestamped blocks）
分布式共识算法（distributed consensus）
网络结构（peer-to-peer networking）
关键密码学概念
哈希函数（Hash Functions）
非对称加密与数字签名（Asymmetric Cryptography & Digital Signatures）
零知识证明（Zero-Knowledge Proof，课程仅浅尝）
双花问题（Double Spending Problem）
什么是双花问题？（你拿一笔钱花两次，有点像后端开发里“消息重复消费”问题）
区块链是如何解决这个问题的？
上节课回顾
两大核心概念复习：
Money 是一种社会共识（social consensus） 它不具备内在价值，仅仅依赖我们共同相信“别人也会接受它”。而法币依赖国家信用，容易受到政治、经济不确定性的影响。
Ledger（账本）是记录价值交换的机制
Bitcoin 是交易式账本（transaction ledger）
有的区块链采用余额式账本（balance ledger）
现实世界账本是多层结构，比如中央银行 → 商业银行 → 支付平台，而这类分层结构也启发了现在 L2 区块链架构的发展。
区块链技术核心逻辑
基本架构
区块链的底层结构就是：
Timestamped Append-only Log（带时间戳的追加式日志）
通过“块”构建可审计的数据库（Auditable DB），由三类技术支撑其安全性：
哈希函数 → 确保不可篡改（Tamper resistance）
数字签名 → 用户确认交易（Consent & Authentication）
共识机制 → 决定谁能添加什么数据（Distributed agreement）
Bitcoin 技术特性
Bitcoin 作为第一个区块链系统，几乎涵盖了区块链设计所需的全部关键技术。
核心特性一览
哈希函数（Hash functions）
区块结构（Timestamped append-only blocks）
区块头与默克尔树（Block header & Merkle Tree）
公钥私钥系统（Asymmetric cryptography）
数字签名（Digital signatures）
比特币地址生成（Bitcoin address generation）
工作量证明共识（Proof of Work, PoW）
点对点网络（Peer-to-peer network）
内生激励货币（Native currency）
UTXO 交易模型（Unspent Transaction Output model）
区块结构和 Header
每 10 分钟生成一个区块。区块由区块头（Block Header）和交易组成
Block Header（仅80字节） 是轻节点仅需存储的部分，便于验证。
字段包括：
VersionPrevious Block HashMerkle Root HashTimestampDifficulty TargetNonce（用于 PoW 的一次性随机数）
Merkle Tree
Merkle 树是一种二叉哈希树结构，将所有交易信息压缩为一个根哈希值（Merkle Root）用于验证某笔交易是否存在。
优势：
高效存储与验证
抗篡改（篡改任一交易将导致 Merkle Root 改变）
它的设计思想和我们平时做“数据摘要”挺像的，只不过它更系统化，也更安全。
密码学基础
Asymmetric Cryptography（非对称加密）
通过公钥加密，私钥解密。
优点：解决对称加密中密钥传输的问题。对公钥开放，私钥自己保存。
Digital Signatures（数字签名）
私钥签名，公钥验证
验证消息来源的可靠性
比特币采用 椭圆曲线算法（ECDSA）生成公钥
特性：
无法从公钥推出私钥（不可逆）
签名可验证但难伪造
Bitcoin Address（比特币地址）
生成逻辑：
私钥 → 公钥（ECDSA） → SHA-256 → RIPEMD160 → Base58 编码
安全性源于哈希链 & 椭圆曲线的数学特性。
Transaction Format
比特币交易包括：
Inputs：引用上一笔交易和签名
Outputs：value（以 satoshis 为单位，1比特币等于10 的 8 次方 satoshis ）和目标地址
Lock Time：锁定时间
比特币用的是 UTXO 模型：每笔交易必须完全引用前一个未花费的交易输出
哈希函数 Hash Functions
课程中教授用了个比喻我觉得挺形象的：
Digital Fingerprints For Data
特性总结：
固定输出长度
输入微变，输出剧变（雪崩效应）
单向性（难以从输出推回输入）
抗碰撞（极难找到 x ≠ y 且 Hash(x) = Hash(y)）
在比特币中的应用：
区块 Header / Merkle Tree → SHA-256
地址生成 → SHA-256 + RIPEMD-160
小结与感想
本节课是我觉得是目前为止最“技术”的一节，涉及了很多密码学的原理。
本节课主要是学习了比特币的基本特性，包含以下内容：
Timestamped Append-only Logs（带时间戳的追加式日志）：通过区块结构将交易信息线性记录在链上，确保数据的时间顺序和不可篡改性
Security via Cryptographic Hash Functions & Digital Signatures：利用密码学哈希函数实现数据完整性与篡改防护，通过数字签名机制确保交易的真实性和用户授权
虽然这些概念一开始看上去像纯理论（尤其是哈希函数和签名），但它们其实都直接落地在区块链系统的各个核心设计里。
我特别感兴趣的一点是，最后有人在课堂提到一个现实问题：
如果未来找到比 SHA-256 更好的哈希函数，要怎么更新进比特币？
我最近也看过一些对这方面的技术讨论：去中心化系统中的治理与升级。像以太坊智能合约通常会保留 upgrade 合约升级函数，但比特币这种更“保守”的系统该如何处理更新？共识机制一方面带来了抗篡改的稳定性，但也对未来变化提出了治理挑战。另外，去中心化中共识即价值，如何在升级之后仍然保持价值或者让人对升级这件事本身达成共识，感觉是一个很值得探讨的问题
下节预告
Consensus Protocol（共识协议）
Transaction Ledgers（交易账本）
相信这将是更深入理解区块链经济系统运行逻辑的重要一课，我也很期待下一讲！