公元395年1月17日，罗马皇帝狄奥多西一世挂了。死前把帝国一分为二，交给两个儿子掌管。其中西罗马帝国在476年被日耳曼蛮族灭掉。千年后的1453年，东罗马帝国都城君士坦丁堡（今土耳其伊斯坦布尔）被奥斯曼帝国攻陷。
相传伊斯坦布尔城建于古希腊时期，由墨伽拉城的王-拜占斯修建，所以最早的名字叫拜占庭。
17世纪，史学家为了区分古罗马帝国和中世纪罗马帝国，把东罗马帝国改称为拜占庭帝国。
拜占庭将军们的难题
在一次战争中，拜占庭帝国出动四名将军去进攻敌国。他们带领各自的军队，分别从不同的方向包围了强大的对手。但要想击败敌人，只有一半以上的将军同时进攻才能成功，否则会被消灭。分散包围的将军们离得很远，需要通过通讯兵协商进攻方向和时间。这时候，他们碰到一个难题：四个将军中间可能存在一个叛徒，假设将军A是叛徒，他派出3个通讯兵分别告诉B、C、D上午9点、10点、11点发起进攻，那这三个将军无疑会全军覆没。所以，四个将军之间都不敢信任对方，他们需要确认信息的正确性。
他们想出一个办法并达成了共识，按照这个共识协议来执行：每个收到信息的将军，再派出通讯兵去告诉其他将军自己收到的信息，已收到的最多的信息为准，发起进攻。
再来看刚才的问题，B、C、D收到叛徒A的消息后，B将军派出通讯兵告诉C、D将军，他收到的信息是上午9点进攻，C、D也同样派出通讯兵这么做。于是，B得到3条信息：A告诉B上午9点进攻；A告诉C上午10点进攻；A告诉D上午11点进攻。B依此判断A是他们中的叛徒，协商无效。
另一种情况，A将军不是叛徒，他派出了3个通讯兵，分别告诉B、C、D将军，上午9点发起进攻。B、C、D三位将军收到信息后，互相确认信息。如果B是叛徒，B告诉D说收到的信息是上午10点发起进攻，C和D也分别告诉另外两个将军，A的信息是上午9点发起进攻。于是，C和D将军收到的信息都是两个上午9点，一个上午10点。他们只要执行收到的多的那个命令就可以了。因为，B如果确实是叛徒，A、B、C将军会上午9点发起进攻。如果B不是叛徒，那B收到的信息是两个9点一个10点，B会执行收到多的信息，B、C、D三个将军会一起发起进攻。所以，按照这个共识执行，结果都没有问题。
这就是拜占庭将军问题（Byzantine failures）。在比特币和区块链中，几乎每篇介绍的文章中，都会讲到拜占庭将军问题。
其实将军的故事并没有真正发生过。它是由莱斯利·兰伯特（Leslie Lamport）在论文中，用来为描述分布式系统一致性问题的一个著名的例子，是在点对点通信中的一个基本问题。
莱斯利.兰伯特在论文中证明了，上面例子中的将军总数大于3M ，背叛者为M 或者更少时，忠诚的将军可以达成命令上的一致。（就是说一共有四个将军其中叛徒有一个的情况下，通过例子中的共识算法可以保证命令执行的正确性）
当中本聪设计比特币系统时，也面临和拜占庭将军类似且复杂得多的问题。
让我们回到 数字世界中的现金交易系统--比特币 文中那个村子里。村民们每个人都有一本账，当有交易的时候，就大声广播到全村所有村民，收到广播的村民们在自己的账本上记录交易内容，完成账本的同步统一。每个村民就像相于一个拜占庭将军，但村民数远远多于将军的数量。假如，村里有100个村民，按照前面拜占庭将军问题中的方法，一笔交易每个村民需要通信99次，所有村民需要通信（100-1）^2次（这还是不考虑一个村民可以同时发起多个交易的情况）。如果村子发展成地球村，那通信数量将是天文数字。很明显，当村民达到一定数量，前面的方法就已经无法解决问题了。
我们再来分析一下更复杂的问题：我们知道通信距离的远近或通道的拥疏，会造成延迟时间的不同。如果账本上A村民未花费的余额有10元，但他同时广播支付给B、C各10元，由于延迟问题，有的村民先收到A支付给B的交易信息，有的村民先收到A支付给C的交易信息，那村民是记录哪一笔交易呢？全村共同维护的账本怎么统一呢？
中本聪在比特币中的解决方案
假设地球村的村民都来到了2009年，每个人都用上了电脑和互联网。中本聪说，我制定一些协议规则，我已经写在了点对点电子现金系统程序里，你们只要在电脑上运行，就可以安全的在网络中使用电子现金来交易。
这种网上的电子现金叫比特币（bitcoin），记录比特币交易数据的电子帐页叫区块（block），把帐页按时间顺序像链条一样连起来就成了区块链（blockchain），每一个运行比特币电子现金软件的电脑称为一个节点（node）。
1.谁来发行
比特币总量2100万枚。
平均每十分钟记一次帐，也就是增加一个区块。
每记一次账也就是增加一个区块，程序系统自动发行50个比特币奖励给记账节点。
每增加21万个区块（大约四年），奖励给记账节点的比特币减少一半。直到2140年，2100万枚比特币发行完毕。
这些规则都已经写进了程序里，运行在了每一个使用比特币软件的人电脑里，在不能达成95%共识的情况下，任何人无权修改。
比特币不存在超发货币的情况，这有点像黄金。黄金是非再生资源，总量固定。每年的产量除去工业用量，增长幅度低于生产力增长幅度，有通缩性质。
自2009年至今，比特币系统分别在2012年和2016年区块高度在21万和42万块时，进行了两次奖励减半。目前，记账奖励为12.5个比特币，2020年将迎来第三次减半，届时奖励将为6.25个比特币。
2.谁来记账
只有答对问题的节点才有记账的权利。
记账节点只承认最长的那条区块链。
所有想记账拿奖励的节点需要同时解一个题，谁先解出答案，谁就能把最近收集到的交易内容写入区块放到区块链上，并且广播给其他节点。其他收到广播的节点验证你的答案正确后会停止解题，并且把自己的区块链同步更新，然后继续解答下一题。
每增加2016个区块（大约二周），根据解题的快慢，调整一次题的难度，以保证平均解题时间稳定在10分钟（也就是平均10分钟增加一个区块）。
解出答案取得记账权的节点，称为“矿工”，大家争着解题的过程就叫做“挖矿”，把这些节点设备集中起来一起挖矿的地方就是“矿场”。需要解的题也不是想象中的数学难题，其实有点像买彩票，就是一种碰撞。
矿场
我们来看看是怎么解题的：现在比特币软件给出的解题难度是碰撞出一个前18位是0的64位数字（000.....）。节点验证完一个收到的广播交易数据后，会放在一个待打包的池子里，把它们生成一个准备放到链上的区块，比如这个区块的内容是“张三给了李四5个比特币”。在这个内容的后面加上一个不断变化的数字，用一种SHA256的算法对它进行哈希运算（SHA256(张三给了李四5个比特币+100101)），将运算结果和当前的难度值（前18位是0的64位数字）比较，如果小于难度值，则解题成功。
这到底有多难呢？当前比特币的算力是5279.13P/秒，相当于每秒运算多少次？每秒哈希碰撞次数=1000的5次方*5279.13，按这种运算速度，平均10分钟解出一个题。
2009年以来，比比特币价格更疯狂的是全网算力，比特币价格有多次下跌90%以上，但算力却从来没有消失过，一路增长了几十亿倍。这背后有对比特币、区块链的信仰，但更多的是对利益的追逐，是人性。
即便这种碰撞几率，也会有两个节点几乎同时得到答案的可能。这时候，它们会同时打包自己的区块，并广播出去，这就使区块链有了一个分叉。
中本聪给出的规则是“记账节点只承认最长的那条区块链”。有了分叉后先不管，下一个得到记账权的节点（连续两次同时取得记账权的可能进一步减小），如果先收到其中一个分叉节点A的广播，就会把新区快加到这个分叉链上，这样就会有一条分叉链长，一条分叉链短。以后再得到记账权的节点，都会按照“最长的链是正确链”的规则来维护这条长链，而短的分叉链中的区块会被废弃掉，那些被废弃的交易会重新打包到正确的链上。理论上认为，经过六个区块的确认，交易就不会有被废弃的可能了。
中本聪这套通过提供算力进行大量哈希运算，争夺记账权，使所有节点取得共识的机制，就是工作量证明(Proof Of Work，简称POW)共识机制。
3.工作量证明(POW)的优缺点
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简洁，自然，中立。
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安全性较高，破坏系统需要极大的成本
只有破坏者拥有全网算力的51%以上才有可能发起攻击，算力是矿工们投入大量 设备、电力等成本得到的。攻击者需要付出全网51%上的挖矿成本才行，这基本 上等于一个中等国家全年的国防预算了，但攻击者得到利益却可能很少。
- 区块确认时间长，不利于商业应用。
- 每个区块大小只有1M，不利于大量交易。
- 电力能源消耗大。
运行中本聪设计的共识机制的比特币系统，已经安全运行了9年，并带动了区块链技术的发展应用。
结束语
比特币的能源消耗问题一直被人诟病。但我们也应该看到，比特币巨大的全网算力是保证比特币系统稳健运行的重要保障，算力的增长对应的就是设备的投入和电力消耗的增加。
在一个开放的环境中，要使内部变得有序，必然带来外部无序的增加。这就像你家里的卫生，你不打扫它是不会自己变的整洁的，但是你如果打扫，必然会把垃圾扔到外面，而造成外部的无序。
工业革命以来，人类每一次大的变革，都会带来对外部环境的破坏。机器、电力的发明消耗了大量煤炭，汽车的发明消耗了大量石油，计算机和网络的发明消耗了电力，各种材料的生产过程排放了大量污染。大型商业公司、银行的服务器集群也同样消耗了巨大的电力能源。AlphaGo与人类下一盘棋都要消耗3000美金的电力。
这是仁者见仁，智者见智的问题，只有当人们从未来回望现在时，才知道这一切有没有价值。
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