实现
transaction-based ledger
BTC(比特币):基于交易的账本模式（transaction-based ledger），每个区块记录交易信息，但是系统中没有统一的记录，比如需要知道某个账户有多少钱，这个还需要交易记录来推算
比特币的全节点要维护一个UTXO的数据结构
UTXO:Unspent Transaction Output,还没有被花出去的交易的输出，区块链中有很多交易，有些交易的输出可能被花掉了，有些还没有被花掉，没有被花掉的交易的输出的集合叫做UTXO
UTXO中的每个元素要给出产生这个输出的交易的hash值，以及他在这个交易里是第几个输出，就可以定位到这个UTXO中的输出，那么这个UTXO集合的作用是什么？为什么要维护这样一个数据结构
作用：防范double spending attack，所以全节点要在内存中维护UTXO数据结构，以便快速检测double spending attack，
随着交易的发布，每个交易要消耗UTXO中的输出，同时也会产生一些新的输出
每个交易所有输入的金额，要等于所有输出的金额：total inputs = total outputs
发布区块的那个结点为什么要把你的交易打包在区块里？这样做对她有什么好处吗？
如果只有出块奖励，那么自私的结点就只会打包他自己的交易，同时也节省带宽
所以比特币系统设定了第二个激励机制：交易费（transaction fee），你把我的交易打包在区块里，我给你点小费，所以就会出现total inputs >= total outputs的情况，多的比特币充当了小费
目前矿工去争取记账权，主要还是为了得到出块奖励，但是因为21个区块都会减少出块奖励
比特币系统中差不多10分钟会创建一个区块，计算下来差不多每四年就会减半（出块奖励）
区块的例子
account-based ledger
以太坊就是这种模式，在这种模式总，系统显式的记录每个账户上有多少个币，比特币的隐私保护就比较好一些
Height:是区块的序号，Difficulty：挖矿的难度（每隔2016个区块要调整这个难度，保持出块时间在10分钟左右）
注意：计算hash值都是计算block header的哈希值，不包含block body的哈希值
所谓的挖矿，就是不断地调整随机数nonce，使得整个block header的哈希值小于等于给定的目标阈值，这个目标阈值表示成16进制就是前面有一长串的0，所以凡是符合难度要求的区块，它的块头的哈希值，算出来都是要有一长串的0
每个发布的区块里都包含一个特殊的铸币交易
这个对Merkle tree的根哈希值有什么影响吗
coinbase中的前八个字节当作extra nonce来用nonce从2^32->2^96
所以真正挖矿的时候是有两层循环的，外层循环调整coinbase域的extra nonce ，算出block header中的根哈希值之后，内层循环在调整header里的nonce
概率分析
每次尝试nonce可以看作是Bernoulli trial：a random experiment with binary outcome
挖矿，每次尝试nonce，成功的概率是微乎其微的，大概率是不行的，如果我们做很多的Bernoulli trial，每个实验都是随机的，这些Bernoulli trial就构成了Bernoulli process：a sequence of independent Bernoulli trials，Bernoulli trial的一个性质是无记忆性：memory less，你做大量的实验，前面的结果和后面的结果是没有关系的
实验很多，每次成功的概率很小，多重伯努利可以用Poisson process来近似，我们关心的是，系统中产生下一个区块的时间，这个在概率中可以推导出来出块时间是服从指数分布的exponential distribution
整个系统平均的出块时间是十分钟，这个时间是比特币协议设计出来的
具体到每个矿工，他能够挖到下一个区块的时间，取决于这个矿工的算力占系统算力的百分比，比如说，你的算力占到系统算力的1%，平均下来，系统里每产生一百个区块，其中有一个区块就是你挖矿挖到的，平均你要等1000分钟才能产生一个区块
这个性质有时候也叫：process free，过去的process是不算数的
假设一下，如果有某个puzzle不满足process free，会出现什么情况：算力强的矿工具有不成比例的优势，因为算力强的矿工过去做的工作肯定是多的，比如有两个矿工，一个矿工的算力是另一个的十倍，那么他挖到矿的概率也是另一个的十倍，这样就满足process free，如果不满足，就会大于十倍！其实process free 恰恰是挖矿公平性的保证。
比特币的总量
挖矿获得的出矿奖励，是比特币长生的唯一途径，然而这个值每四年就会减半，比特币的总量呈现几何趋势
genmetric series
挖矿对维护比特币系统的安全是至关重要的：Bitcoin is secured by mining，只要大部分算力在诚实的结点手里，系统的安全就可以得到保证。出矿奖励随着出块会减半，那么人们的动力是否会减少呢？从过去的几年来看，恰恰是相反的，比特币的价格是飙升的，如果趋于0之后，是不是就没有动力挖矿了呢？还有第二种激励机制：交易费
比特币的安全性的分析，①假设大部分算力是掌握在诚实的矿工手里，我们能得到什么样的安全保证，能不能保证写入区块里的交易都是合法的？如果落在了10%的不诚实的结点手里，这个节点能不能偷币？能不能把别人账上的钱转给自己？不能，因为他无法伪造别人的签名（需要知道别人的私钥）。如果把这个交易硬写道区块链里呢？
②恶意的结点能不能double spending？
如果M->A存在某种不可逆的效果，那么M->M’就可以从中获得不当的利益，比如网上购物，M购买了一些商品，然后网站接受比特币支付，M把帐转给这个网站，网站监听到这个交易写入到区块链里了，以为， 支付成功了，所以把商品给了M，M拿到商品之后，又发起了一个交易M->M’把钱转给自己，然后按照下面这个区块扩展最长合法链，这样上面那个交易就作废了。
如何防范double spending？类似上面这种攻击
区块链是不可篡改的账本：irrevocable ledger，那是不是说凡是写入区块链的内容，永远改不了呢？根据上面的分析可知，这种不可篡改性，只是一种概率上的保证
其实，还有一种zero confirmation，0个确认，这个意思是说，这个转账交易发布出去了，但是还没有被写入区块链里，商家就确认了这个交易，这种在现实生活中还是比较普遍的，
原因：
①比特币协议缺省的设置是：结点接收最先听到的那个交易，两个交易有冲突，最先听到哪个，接收哪个，所以发布一个M->A,最先听到这个，在zero confirmation的这个位置，诚实的结点有比较大的几率是不会接收M->M’这个交易的
②很多购物网站，从你支付成功，到他把货品发给你，是有一定的时间间隔的，如果发现M->M’这个转账交易没有在最长合法链里，电商就可以选择取消发货。
假设某个有恶意的结点获得了记账权，他还能干什么坏事？
能不能不把某些合法的交易写道区块链里？这是可以的，但是会少交易费，比特币规定某个区块的大小是有限制的，最多不能超过1M字节，某个节点交易太多，这些交易就只能等到下个区块在发布
selfish mining：在商家等待6个区块的时候，M->M’先不发布，在私下偷偷的挖矿，但是不发布，等挖矿创建的区块比6个区块多的时候，一下子全部发布，M->M’这条链就成了最长合法链；正常的情况是，挖到区块，立马发布，要不然就被别人抢了，所以selfish mining有一个前提，恶意的结点的算力要超过诚实的结点的算力，但是是不可能的
selfish mining还有什么目的，上述是分叉攻击的目的，假设我们能不是为了回滚以前的交易，就是为了正常的挖矿，赚取出块奖励，selfish mining有没有什么好处？减少竞争：别人挖了一个，我已经挖了两个，然后直接抛出去两个,让别人做一些无用功。