4、区块链技术：从比特币到智能合约的全面解析

区块链技术：从比特币到智能合约的全面解析

1. 比特币的工作原理与挑战

1.1 工作量证明（PoW）的起源与应用

工作量证明（PoW）的概念源于一种计算谜题，收件人的电子邮件程序会忽略未附带谜题解决方案的邮件，而验证解决方案的过程则十分迅速。1997 年，Adam Back 在 HashCash 中提出了类似的想法，并于 2002 年正式记录，其目的是防止拒绝服务攻击。比特币在此基础上扩展了 HashCash 的 PoW 理念。

1.2 挖矿难度的设定与调整

1.2.1 难度设定

在比特币网络中，PoW 难度的设定需满足两个条件：一是只要超过一半（如 51%）的节点是诚实的，网络就具有拜占庭容错性（BFT）；二是平均每 10 分钟只能挖出一个区块。

设区块链节点数量为 $n$，给定节点在一轮（比特币中为 10 分钟）内创建区块的概率为 $p$，难度目标设定为 $TARGET = p2^m$（$m$ 为哈希比特长度，比特币中为 256 位），$p$ 间接代表了 PoW 难度。

• 一轮中没有诚实节点创建区块的概率为 $(1 - p)^{0.51n}$。
• 一轮中有诚实节点创建区块（即好区块）的概率为 $1 - (1 - p)^{0.51n}$。
• 挖出一个好区块所需的轮数为 $\tau = \frac{1}{1 - (1 - p)^{0.51n}}$。

设最坏情况下的网络传播时间为 $\delta$，区块挖掘效率 $E$ 为挖掘时间与该区块添加到区块链实际所需时间的比值：
$E = \frac{