一、分布式共识理论
1. FLP不可能原理
在一个异步的系统中，网络延时没有上限，即使只有一个成员有问题，也不可能取得共识。
FLP 不可能原理告诉我们，不要浪费时间，去试图为异步分布式系统设计面向任意场景的共识算法。但是我们在实际工程当中可以付出一些代价来做到共识。
2. CAP定理
任何一个分布式系统无法同时满足一致性（Consistency）、可用性（Availability）和分区容忍性（Partition tolerance），往往需要弱化某一个特性的需求。例如Paxos算法可以达成一致性，但是存在某种情况会一直无法达成共识。
二、比特币的共识设计
比特币的共识设计没有拘泥于传统的分布式共识理论，引入了经济博弈机制，采用挖矿奖励来达成区块链的共识。
1. 区块设计
完整的区块包括区块头（Block header）和区块体（Block body），区块头包括版本信息、上一个区块头的哈希、Merkle根哈希、谜题目标阈值、谜底nonce值；区块体则是交易列表组成，所有交易组成Merkle tree，计算出根哈希，也就是区块头中的Merkle根哈希（详解见默克尔树（Merkle tree）章节）。
2. 交易信息设计（Tx）
双花攻击（double spending attack）
双花攻击是数字货币领域中的一个比较常见的问题，顾名思义，就是将数字货币付给两个人或多个人，以谋取个人不正当利益。
交易信息
在比特币中，采用独有的设计去除双花攻击、交易伪造等数字货币常见问题。一笔交易包含的信息如下图所示：
- 每一笔交易需要说明交易来源，因此当本次转账完成后，交易来源也就自动失效，不能再花费了，也就不存在双花攻击的问题；
- 另外还需要A的签名，别人无法获取你的私钥，也就无法伪造你的签名，也就不能将你的货币花费出去；
- B的地址指明转账的目标人，转账的货币就将属于B，只有B可以支配或转账他人。
3. 计算力投票
在比特币的系统中，存在轻节点和全节点两种节点，轻节点只需要保存区块头，占用很少的存储空间，通常用户所用的比特币钱包就是轻节点；而全节点除了保存区块头还需要保存区块体，里面包含所有交易信息，也就是交易列表。
计算力投票过程需要计算出区块头中每一个域的信息，包括Merkle Root Hash，这就需要存储所有交易数据，因此挖矿只能由所有全节点参与，轻节点则从全节点获取区块信息。
挖矿计算公式为：H(block header) ≤ target，全节点不断尝试区块头中的nonce值，直到哈希结果在target阈值范围内，找到符合要求的nonce值，也就获得了记账权。将挖出的区块广播给其他全节点，其他全节点会验证区块是否符合要求，验证交易是否合法、验证nonce值是否正确等，验证通过后则认可并存储该区块。
4. 最长合法链
共识协议规定所有接受的区块必须在最长合法链上，这样不会产生大量分叉，保证区块链的最终一致性，也容易达成共识。
最长合法链还能够防止分叉攻击，分叉攻击就是在较旧的区块后面挖矿，原有链上后面的区块内的也就失效了。如果所有全节点维护最长合法链，那么某一些作恶全节点尝试在旧区块后面挖矿就将失败，因为作恶节点挖矿将大概率没有诚实节点速度快，也就永远不会成为最长合法链。
5. 区块奖励
全节点在挖矿的时候，会在交易列表里加入铸币交易，如果幸运地挖到区块，并且所有节点达成共识存储该区块，里面的铸币交易也随之生效，这就是常说的区块奖励。区块奖励使得所有节点都会充当诚实节点，利用算力获得奖励，从而维护区块链系统，而不是浪费算力去作恶。
hash rate表示每秒钟能够尝试nonce的数目，代表着投票的权重，也就更可能获得奖励。
区块奖励每21万个区块减半，最一开始是50BTC，后来是25BTC，目前的区块奖励已减至12.5BTC。所有比特币的产生均是通过区块奖励产生的，我们可以计算出比特币的总量是2100万BTC。
由于比特币总量是固定的，以及尝试nonce值的挖矿过程类似于19世纪的加利福利亚淘金热，我们也将比特币称为数字黄金。
三、比特币的安全性
比特币的安全性由两点保障：
1. 密码学保证
- 只有私钥签名才能发起转账，任何人无法通过伪造签名来窃取比特币；
- 哈希算法保证区块链无法篡改，任何人可查看验证账本。
2. 共识机制
- 所有节点必须验证签名，保证任何伪造签名的交易不被加入到区块中；
- 工作量证明以及区块奖励使得作恶不再可行，比特币的共识协议已经过10多年的考验。
