今天开始写系列文章，从零开始区块链。我尝试把我学习到的整理成笔记，持续做下去，看看能写多少。
1. 导语
回想我在2014年第一篇文章的时候，就说要写一系列文章，其中有一部分就是“论文科研”（回复001查看）。这个类目在2015年以后，就一直没有更新了。原因有很多，一个是我开始变得很能写，总是有不同的选题，一直轮不上；二是真正开始写一些技术的文章，更多的读者也不太容易看懂。
最近区块链比较热，有很多大佬说之是下一个未来的风口；比特币这些年也让很多买币的人赚到不少钱。于是在知识付费践踏完国人的焦虑后，区块链又成了新一个敏感点。大家纷纷问，到底什么是区块链？在这个阶段，各种声音都出现了，有坚定的看多者，有坚决的做空者。电子货币领域出现了百花齐放的声音。我假设现在对这个话题感兴趣的人多了，至少装作感兴趣的人多了，所以可以写些技术文章了。
对于大多数人而言，在学习动机方面，没有什么比一样东西能赚钱更有刺激了。但是有一个问题，当你看到别人赚钱的时候，如果你不懂，但是又想入场，那你变成韭菜的可能性就很大了。区块链很赚钱，但是搞区块链培训的人赚的更多，这就像当年淘金热一样，把牛仔裤给做火了……
电子货币的世界跌跌涨涨，但是为什么有的人能坚守，有的人总是追涨杀跌？我认为核心在于对事物的理解。对于一个理论、技术、方法甚至新的生产力，你有没有从原理上、从逻辑上真正看懂理解，并且应用实践，会决定在漫长的演进过程中，你最终趋向的位置。
诚然有的人赚到钱了，于是我们幻想自己也能一夜暴富。但是排除我们所不能掌握的因素，例如运气、庄家操纵，我们自己能不能在行动上多做一些？而不是仅仅做一个生理意义上的应激动物？钱来钱往我们也许不能掌控，但是把一个技术搞通透，却是我们能做到的。等到能做到的时候，我们头脑里自然能生长出，关于这些事情的真正想法。
这些想法随着时间坚定起来，就会变成我们的信念。我们此生能赚到多少钱，最终还是要看我们的信念，和这个世界浩荡的趋势，是不是大体一致。但是照搬的信念是无法抵御波动的冲击，只有用行动铸就的思想体系，并在行进中不断修正，才能让我们不断变得更好。（参见《Scalers：投资赚钱就是信念变现》）
本着这样的想法，我想我也可以做一些事情。于是我把比特币作者中本聪（Satoshi Nakamoto）在2008年十月的论文拿出来，做一个研读解析。这篇论文我最早是在2010年的时候接触到的，那个时候我的研究兴趣是在密码学。光阴荏苒，现在再看，世间已经有许多变化。但是倘若我们真正想要在未来电子货币世界中，叩开一片世界，经典终都是需要的研读的。不忘初心，才能继续前进。
论文地址在https://bitcoin.org/bitcoin.pdf，我会后续结合我的理解，对论文的各个部分做一些补充。有一些其实是借题发挥，但是我不会逐行翻译，网络上已经有译本，可以参考巴比特的译版http://www.8btc.com/wiki/bitcoin-a-peer-to-peer-electronic-cash-system。当然我的行文也会有不准确的地方，也请各路币圈链圈神仙圈前辈，多多批评指正。
2.标题：Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System[1]
标题有两个点可以解析一下，一个是Peer-to-Peer一个是Electronic Cash。
2.1 Peer-to-Peer 对等网络
Peer-to-Peer (P2P)是计算机里一个常用的设计范式，有时候会翻译成“点对点”，有时候会翻译成“对等”。比如Peer-to-Peer Networks可以译作“对等网络”或者“点对点网络”。
在传统意义上，有一种“client - server（简称CS）”的模式，在这种模式中，会有一个服务端（server），有一个“客户端（client）”。客户端向服务端发起请求，服务端根据预先部署好的程序处理请求。在生活中，你去超市购买商品、餐馆厨师做饭，都可以看到这样的范式。在这种CS的范式中，核心的一点就是，服务端与客户端具有不同的角色，不是对等的。服务端能做的事情，客户端通常不能做。比如你在餐馆吃饭，如果跑到厨房抄起了勺子，就会引起店老板的警觉。
Peer-to-Peer的范式与client - server不同在于，前者强调在网络中，各个节点是对等的。注意，我在这里用节点（node）来抽象代指对等网络中的一个实体，这可以是一台计算机，也可以是服务器，也可以是手机终端。对等就意味着，角色是可以相互替换的，不存在谁一定要服务谁的概念。当然也意味着谁都可以服务对方，或者被对方服务。在生活中我们都多少接触过P2P的概念，例如十多年前就已经有BT下载，之后的网际快车，迅雷等。
P2P与CS都是计算机领域中常用的范式，已经有大量的学者在这些领域做了研究工作[2,3]。例如，我们看网络视频的时候，从模型上看是CS的范式，不同的用户访问一个网站，从上面获取视频，在本地播放；但是由于资源有限，这样做技术方案往往会面对一个问题，卡。卡是由于网络拥塞造成的传播延迟，于是后期采用了CS+P2P的方案。如果服务器发现你周围有人也在看相同的视频，除了服务器给你传，周围的对等节点也给你传，这样一来你看视频的速度就会快很多。
P2P在视频、文件等传输领域上应用广泛。同时值得注意的是，现在比较成熟的大规模P2P技术方案，例如视频流媒体直播，往往都不会纯P2P的技术范式，因为服务商为了确保用户体验，往往会自己掏钱在不同的地区在放置一些超级节点，或者边缘服务器，可以加强用户体验。
P2P的概念流行，最早是1999年由美国一家叫Napster的公司发布的文件共享工具带来的。这个工具可以让用户免费从其他用户手中共享音乐，从而遇到了版权官司，最后关闭。国内以前曾经有名的VeryCD电驴，也在2011年停止了音乐和影视资源下载服务。不过创始人黄一孟最后转型做游戏，也赚了不少钱。之后百度影音与快播也关闭了P2P下载服务，快播CEO王欣也在2014年8月被捕判刑，在2018年刑满出狱。
P2P的一个特点是，由于各个节点对等，所以对于监管而言，往往没有一个好的“抓手”。就目前来看，不管是美国的Napster还是国内的快播，谁提供服务就整改谁、处理谁，是比较普遍的方式。比如全球著名的BT下载网站海盗湾（The Pirate Bay）创始人2015年就曾经被瑞典官方判刑，目前已经出狱[4]。但是对于相对灰色或者暗网采用P2P技术的应用，例如Tor，监管就会相对难以覆盖到。
了解了P2P的一些基本情况，再往下梳理比特币，就有一个好的基础。
2.2 Electronic Cash电子现金
电子现金是密码学里面的一个经典应用研究课题，在过去三十年关于这些方面有大量的文章发表[5-7]。这些研究主要专注在电子现金的安全性方面。现实生活中的现金更多的依赖于钞票物理属性，普通人一般很难制造假钞，一张钱花出去就没了，你不能再花一次；同时，法律对于制造、贩卖假钞的打击也非常严厉。但是电子现金的安全性，不能通过物理的属性保证，只能通过数学手段解决。在论文[6]中，Okamoto& Ohta提出了理想的电子现金系统需要具备的6个条件。
(1) 独立性。电子现金的安全性不依附于任何物理环境，这样现金才能通过网络转移。
(2) 安全性。电子现金系统要能防止复制、重用以及伪造。比特币里有一个词叫“双花（double spending）”，指的就是把一笔钱花出去两次[8]。这个问题在物理世界中不存在，因为纸币相对比较难复制。
(3) 秘密性（抗追溯性）。电子现金用户的隐私需要保护，用户的现金购买记录其他人不可追溯。纸币与信用卡相比，私密性更好，但是纸币上有序列号，原则上也是可追溯的。2018年春运期间，有一则新闻，黑龙江齐齐哈尔男子刘某在火车上遇“热心人”张某请喝酒，酒醉后发现钱丢了，对方拒不承认偷钱。刘某说出其中一张丢失钱的尾号，随后民警从张某身上搜出，张某于是被拘[9]。
(4) 可离线支付。用户向商家付款时，用户与商家的交易流程应该是以离线方式进行。商家不需要连接到在线的中央系统，也能完成支付。这一点在目前生活中已经在使用了，例如支付宝的付款码，在网络条件不允许的情况下，就是采用的离线支付的方式（但是这里的技术原理未必相同）。
(4) 可转账。现金可以转账至其他用户。
(5) 现金可拆分。价值为C元的现金，可以拆分为许多更小面值的现金，这些现金加起来，总额与C相等。
要注意的是，即使是真实的现金系统，也无法满足条件(5)，于是移动支付广泛应用以前，我们身上往往会有很多破开的零钱。同时，信用卡不满足上述条件(1)和条件(3)。但是Okamoto& Ohta在1991年的论文中，首次提出了一个满足上述条件的电子现金系统[6]，因为涉及到较多密码学的内容，这里不展开。
在Simplot-Ryl et al.的文章[5]中，概括了电子现金系统的两大类常用的架构，在线模式和离线模式。
(a) 在线模式
在线模式下，有三个角色：银行、付方（客户，Payer）、收方（商家，Payee）。
注意这里的图中有一个英文语言现象，在一个动作pay的施加体用er后缀，受体用ee，类比employer/employee和interviewer/interviewee。读S老师的技术文章，顺便学英语，一箭双雕。
这里的银行就是金融机构，向客户发行电子现金，提供验证服务，向商家提供兑换。
简化而言，在这个场景下，付方将代表自己的钱的字符串(s, s’)发给收方，收方在上面加上自己的信息(s, s’, s1’)发给银行，银行检查这笔钱是第一次花，作废掉s’，用s1’代替，这样下次付方即使再用s’支付，银行的验证就不会通过了。可以理解为，付钱的时候，付方有一笔钱，被银行收回，银行再给收方一笔钱。这是通过销毁一笔钱，生成一笔钱的方式，完成了支付。
但是这种在线模式有一个问题，就是网络的负载都会加在银行上。如果有很多人同时给其他人付钱，那银行就会出现性能的瓶颈，从而可能引起单点崩溃(single-point failure)的问题。单点崩溃问题在计算机里是一个需要注意和避免的问题。
(b) 离线模式
为了解决在线模式的问题，还有研究者引入了离线模式。离线模式也需要有银行，但是银行不参与到支付流程中。从上文可以看到，当在交易中不需要银行的介入，可以解决性能瓶颈已单点崩溃的问题，但是又引入了新的问题：离线模式无法事前防止“双花”事件的发生，往往是一笔钱花了两次以后，才被发现。
于是为了解决这个问题，密码学家又做了诸多设计，但是从结果来看，这些设计往往涉及到盲签名等技术，增加了交易中传输的数据量或者计算量，反而抵消掉了离线模式本来能带来的好处。盲签名的意思就是，银行给付方的钱签名认证，但是不知道付方的钱是付给了谁，于是可以保证上文第(3)条私密性。另外还有一些学者设计了零知识证明的方案来做支付设计，关于盲签名、零知识证明等概念，以后再撰文讨论。
总体而言，如果采用了离线的模式，那么由于去中心化、自组织的特点，在扩展性上，离线模式自然要比在线的模式更好，但是代价就是安全性能会降低。为了解决安全问题，必须引入额外的机制加强，而这又会降低由于离线所带来的好处。所以，设计一个电子现金系统，需要在各个方面做好权衡。
关于电子现金系统，还有其他许多学者的研究，以后有机会再单独写文解析。
好，具备了以上的基础知识，我们现在已经建立了两个基本的概念：
(1) P2P网络的基本特性，以及与CS范式的对比
(2) 电子现金系统的基本要求以及实现方式
如果结合第一部分对等网络的知识来看，采用在线模式，本质上用的就是“客户端与服务端”的CS模式，而采用离线模式，其实就是支付不需要经过服务器的“对等网络”P2P模式。
现在问题来了，如果让你设计一个比特币现金系统，同时结合P2P以及离线模式的概念，你会怎么做？
请你思考一下，下一篇，就可以进行开始比特币的论文学习了。
如果今天的文字对你有启发，记得打赏。
参考文献
[1] Nakamoto S. Bitcoin: A peer-to-peer electronic cash system[J]. https://bitcoin.org/bitcoin.pdf, 2008.
[2] Lua E K, Crowcroft J, Pias M, et al. A survey and comparison of peer-to-peer overlay network schemes[J]. IEEE Communications Surveys \& Tutorials, 2005,7(2):72-93.
[3] Wang C, Li B. Peer-to-peer overlay networks: A survey[J]. Department of Computer Science, The Hong Kong University of Science and Technology, Hong Kong, 2003:9.
[4] Last remaining Pirate Bay founder freed from jail | Technology | The Guardian[EB/OL]. [2018/2/20]. https://www.theguardian.com/technology/2015/jun/02/last-remaining-pirate-bay-founder-freed-from-jail-fredrik-neij.
[5] Simplot-Ryl I, Traoré I, Everaere P. Distributed architectures for electronic cash schemes: a survey[J]. International Journal of Parallel, Emergent and Distributed Systems, 2009,24(3):243-271.
[6] Okamoto T, Ohta K. Universal electronic cash, 1991[C]. Springer.
[7] Chaum D, Fiat A, Naor M. Untraceable Electronic Cash, New York, NY, 1990[C]. Springer New York.
[8] Double-Spending Definition | Investopedia[EB/OL]. [2018/2/20]. https://www.investopedia.com/terms/d/doublespending.asp.
[9] 他偷钱不认账，失主竟报出钞票尾号-一手video的秒拍[EB/OL]. [2018/2/20]. http://www.miaopai.com/show/Nn87lZmtXNPjCbvRV-LT52OnoWBDFQt-tMxNrA__.htm.