比特币解决的核心问题——“双重支付”
可以说比特币最大的创新是用非中心的方式解决了“双重支付”问题。之前已存在的交易系统，都是中心化的，由一个中心化的机构（例如银行）来管理记录一个账本，可以说非常简单粗暴的解决了“双重支付”，其安全保证是这个中心机构自身非常强大，很难攻破。而比特币解决这个问题，不是依靠单个节点的强大，而是依靠整个网络，通过整个网络维护一个公共的账本。
可以这样理解，中心化机构解决“双重支付”，不是因为它是中心化机构，不是因为它自身强大安全系数高，而是因为它知道所有人的交易。同一笔钱，A发B，A又发给C，系统因为掌握了所有的交易，所以能够检测出第二笔交易是非法交易。但是这个中心化机构的安全成本是非常高的。比特币为了解决“双重支付”，它的思路是，既然我单个节点不足以保证安全性，我就依靠整个网络来保证，我将每笔交易都告诉网络上所有的人（交易创建后会广播到全网），把整个网络看为一个中心化系统。这样这个网络知道所有的交易，问题就解决了。但是一个新的问题是，这么多节点（网络中可能存在恶意节点），到底谁说了算，于是POW共识算法诞生，由POW算法，随机的从分布式网络中选取一个节点，由这个节点处理交易（出新块，广播到全网，经过验证后加到最长链中，如果分叉，较短的链会被抛弃）。由于诚实节点拥有系统大部分的算力，恶意攻击者的拥有的算力少，其攻击链长度是很难超过正常链攻击成功的。其系统安全性，由整个网络的算力保证。如果要成功攻击，攻击者至少需要控制整个网络51%的算力，而这个攻击成本是非常巨大的。另外比特币为了维护网络的运行及鼓励诚实节点，设有挖矿、交易费等经济奖励机制，鼓励拥有算力的节点自觉维护网络而不是攻击网络。
51%攻击
比特币的安全性由整个系统的庞大算力保证，如果要成功的攻击比特币，攻击者生成的区块高度要高于正常链区块的高度，并且要持续生成攻击区块保持是分叉链分支中的最长链（否则会被抛弃，攻击失败），才有可能攻击成功。所以攻击者就需要掌握超出系统诚实节点的算力，即至少要51%，才有大概率攻击成功。也不是绝对的，少于51%的算力也可能攻击成功，只是概率上可能性非常低，具体的分析，在比特币的论文的结尾有数学推理计算。
补充一点，在分叉的链上，一个新的区块加入到那个分叉链上，是通过区块头部中前一区块哈希值决定的。所以，攻击者制作的攻击分支，后面的攻击区块也会加入到攻击分支链中，但这条攻击链除非掌握巨大算力支持，否则是跑不过正常分支链的，攻击分支会被抛弃。
新区块校验
一个新区块生成并广播后，并不直接加入到最长链中，而是需要经过校验后才可以。即每个新区块都需要通过网络中每个节点的校验。当新区块在网络中传播时，每一个节点在将它转发到其节点之前,会进行一系列的测试去验证它。这确保了只有有效的区块会在网络中传播。独立校验还确保了诚实的矿工生成的区块可以被纳入到区块链中，从而获得奖励。行为不诚实的矿工所产生的区块将被拒绝，这不但使他们失去了奖励,而且也浪费了本来可以去寻找工作量证明解的机会，因而导致其电费亏损。当一个节点接收到一个新的区块，它将对照一个长长的标准清单对该区块进行验证，若没有通过验证，这个区块将被拒绝。
每一个节点对每一个新区块的独立校验，确保了矿工无法欺诈。为什么矿工不为他们自己记录一笔交易去获得数以千计的比特币?这是因为每一个节点根据相同的规则对区块进行校验。一个无效的coinbase交易将使整个区块无效，这将导致该区块被拒绝，因此，该交易就不会成为总账的一部分。矿工们必须构建一个完美的区块，基于所有节点共享的规则，并且根据正确工作量证明的解决方案进行挖矿，他们要花费大量的电力挖矿才能做到这一点。如果他们作弊，所有的电力和努力都会浪费。这就是为什么独立校验是去中心化共识的重要组成部分。
区块链创造信任？
经常看到有区块链创造了信任这种观点，我是这样理解的，并不是区块链创造了信任，而是区块链在一定程度上取代了原有中心化机构的职能。在安全性上，区块链系统并不一定优于中心化的机构。另外经常看到一些夸大“区块链”的信息，它们夸大的最大可能原因动机是它们是利益相关方，就像销售人员夸大产品一样。
比特币实现宏观理解
比特币核心实现由链、共识算法、P2P网络三大部分组成。链负责处理交易的生成，交易验证，维护交易内存池，区块上链，区块验证，同步，处理孤块，分叉等。共识算法POW，负责产生新块。P2P网络负责连接比特币的其他节点，转发交易与区块等信息。
对于链，初始完成创世块创建后，一般先会进入一个同步阶段（涉及获取其他节点的块数据，还有验证，所以这个阶段比较慢），一直同步到最新块，关于同步目前由两种主要方法，区块优先和区块头优先。因为POW共识可能会产生分叉，区块链还要处理分叉这种情况。对交易，一般会将交易放在内存池中，完成交易验证，优先级处理等，因为是放在内存中同时有优先级的问题，所以，有可能会有交易没有上链节点就关闭了。补充一点，验证无处不在，在这部分，验证工作占了很大的比重。
对于共识算法，如果熟悉传统分布式共识算法，POW可以理解为利用HASH函数的难题友好性随机的从所有参与共识的节点中选举出一个leader，由这个节点决定新块，再广播到所有节点。POW可能会使链产生分叉，所以交易的确认时间较长，如果当前节点发现了一条更长的链，现有较短的链将被废除，区块中的交易将会回退到交易内存池中。
对于P2P网络，比特币节点会首先连接到一个已知的节点（也可以是种子节点），进而获取到更多的节点信息，保存到本地，下次连接时可首先从本地获取其他节点信息。
如果要更多比特币实现细节，可参考Bitcoin Developer Guide。中文翻译比特币开发者指南。
比特币源码
整体理解比特币的宏观概念后，就可以开始阅读比特币源码，比特币源码是使用C++开发的，数据库方面使用Google的LevelDB数据库存储区块链元数据，网络相关方面使用ZeroMQ、libevent，钱包图像界面使用Qt，密码学方面应用openssl库，还有一部分是自己实现的，主要涉及椭圆曲线算法secp256k1，哈希函数SHA256，RIPED160等。
比特币源码分析可参考比特币源码解读之前期准备，这里有关于源码分析的一系列文章，讲解的很好。作为阅读源码的开始，比特币的main函数在bitcoind.cpp中。获取源码git clone https://github.com/bitcoin/bitcoin.git。打开bitcoind.cpp，main函数如下所示：
int main(int argc, char* argv[])
{
SetupEnvironment();
// Connect bitcoind signal handlers
noui_connect();
return (AppInit(argc, argv) ? EXIT_SUCCESS : EXIT_FAILURE);
}
初始化部分的代码看完后，可以围绕交易来屡思路，毕竟比特币这个系统是为交易服务的，可以从交易的产生，广播，验证，产生新块，入链这一交易的生命周期来走。
比特币架构
下图是从网络中截取的比特币架构图，较为清晰的描述了比特币的各个组成部分。
