比特幣區塊鏈的關鍵核心技術，包括採用Hashcash演算法來進行工作量證明，讓區塊鏈中的各節點有機會參與驗證，達到公正性，且交易過程採用橢圓曲線數位簽章演算法來確保交易安全，並在每筆交易與每個區塊中使用多次Hash函數以及Merkle Tree，不只是為了節省儲存空間，更重要的是藉由將前一個區塊的Hash值加入新區塊中，讓每個區塊環環相扣，也因此做到所謂的可追蹤且不可竄改的特性，同時也使用時間戳來確保區塊序列，以下便依序解釋這些關鍵技術。
關鍵技術 1
採用工作量證明達到去中心化及公正性
首先，最關鍵的便其工作量證明機制（Proof of Work，POW），這是一個可以讓每個參與的節點可共同參與交易驗證的方式，來實現一個能多方共同維護的單一系統，並共享同一份記錄交易的帳本，以形成一個基於零信任基礎，卻能實現去中心化的P2P網路系統。
工作量證明是讓任一運算節點，花費時間和運算資源來計算出一組數學公式的結果，且要完成一次有效的工作量證明，需經過一連串地嘗試與失敗。不過，一旦這個數值被算出來後，其他參與節點也可用相關的數學公式，便能很容易去驗證這個值是否有效。
比特幣區塊鏈採用Hashcash演算法（雜湊現金演算法）作為工作量證明，讓各節點經由POW計算來產生每一個有效的新區塊，再經由其他節點驗證並接受。
進行POW計算的過程也被稱作挖礦，很多人用解一道數學題、或是解一個數獨來形容，不過，怎樣才是真的算出一個有效的新區塊，這些節點到底在算什麼？
由於每個區塊中Block Header會包含許多固定的值，其中只有Nonce值為一隨機值，因此每個節點進行POW計算時要算的就是，藉由不斷替換這個Nonce值，來讓這個區塊的Block Header Hash值，小於一個被設定好的難度目標值（Difficulty Target），至於為什麼要小於這個目標值，則是因為這個難度值意味著每個區塊在理論上應該要被產生完成。
這裡提到的難度值（Difficulty）是指，節點要運算出低於困難度目標值的Hash值，平均需花多久時間，也就是平均要完成一次POW的時間。而比特幣區塊鏈目前設定為，大約每10分鐘會有節點成功算出新的區塊，不過這10分鐘只是基於理論值，實際每個新區塊產生的時間，有可能只需要17秒（第407062個區塊的實際產生時間），也有可能需要20分鐘以上（第407068個區塊的實際產生時間）。
Difficulty可動態調整，目前每產生2016個區塊會調整一次難度，以每10分鐘產生一區塊估算，大約是每兩周會調整一次Difficulty。 由於POW具有一定的難度，因此無法預期哪個運算節點可以最快算出新區塊，藉此來確保交易驗證的公正性。
關鍵技術 2
每筆交易採橢圓曲線數位簽章演算法加密
比特幣區塊鏈便採用橢圓曲線數位簽章演算法（ECDSA），與另一種RSA演算法，都屬於公開金鑰加密演算法（Public Key Cryptography），公開金鑰加密技術在1970年代被發明，也稱為雙金鑰密碼安全系統，每個使用者會擁有公開金鑰（Public Key）與私密金鑰（Private Key）這兩把鑰匙，公開金鑰可讓其他人知道，而私密金鑰則只有本人知道。當A要傳送一筆訊息或交易給B時，需使用B的公開金鑰來將這份交易加密，而這這個加密過的訊息或交易，只有使用B的私密金鑰才能解開。
在比特幣區塊鏈中，比特幣區塊鏈便採用橢圓曲線數位簽章演算法，每一個比特幣區塊鏈中的節點使用者，會同時擁有這兩把金鑰，以及一次性使用的比特幣位址（Address），公開金鑰可讓區塊鏈網絡中的其他人知道，而私密金鑰則須自行保管，可用來接收貨幣、進行電子簽章或是發送貨幣，而Address就像電子郵件一樣可用來當作存取比特幣的地址，使用者可重複取得新的Address，且可以在離線狀態下產生，不過，每個Address只能使用一次。
在比特幣區塊鏈中，每一枚電子貨幣被視為一串數位簽章，使用者要進行比特幣交易時，必須將前一筆交易以及收款方的公開金鑰經由Hash產生數位簽章，加到電子貨幣那串數位簽章的後方。
RSA加密演算法是一種非對稱的加密演算法，利用兩個質數作為加密與解密用的兩把鑰匙，金鑰長度約在40個位元到1024位元。不過比特幣所採用的ECDSA能算出更短的金鑰長度，也就是能夠使用相對較少的資源，做到與RSA相同的安全性。在ECDSA演算法中，由私密金鑰算出公開金鑰很容易，但要從公開金鑰推回私密金鑰卻很困難。
關鍵技術 3
Hashcash演算法及多種Hash函數確保資料不被竄改
前面提到比特幣區塊鏈採用Hashcash演算法來進行工作量證明，Hashcash可將任意長度的資料經由Hash函數轉換為一組固定長度的代碼，原理是基於一種密碼學上的單向雜湊函數 (One Way Hash Function)，這種函數很容易被驗證，但是卻很難破解，還回推出原本的值。先前Hashcash演算法也被用來做阻擋垃圾郵件的機制。
常使用的單向雜湊函數包括MD5、SHA-1、SHA-256、SHA-384及SHA-512等，MD5的Hash值長度為128位元，雖然廣為使用，但因長度不夠較容易破解，SHA-1的Hash值長度有160位元，雖比MD5好但仍然不夠安全，因此美國國家安全局（NSA）又提出多種更複雜的SHA-2演算法，包括224、256、384、512位元長度的Hash值算法。
Hashcash最早在1997年由Adam Back提出，並於2002 正式發表一篇描述雜湊現金系統的論文。比特幣區塊鏈採用Hashcash來建立一套幾乎無法被竄改的電子現金系統，每個區塊的Block Header都會被Hash成一串很難被回推的代碼後，放進下一個區塊中，來確保區塊的正確性。
關鍵技術 4
經由Merkle Tree將大量訊息縮短成一個Hash值
在比特幣區塊鏈中，每筆交易產生後，都已經被Hash成一段代碼才廣播給各節點，不過這樣做還不夠，因為在各節點的區塊中，可能包含數百筆到數千筆的交易，因此，為節省儲存空間並減少資源耗費，比特幣區塊鏈的設計原理採用Merkle Tree機制，讓這些數百到數千筆的交易Hash值，經由兩兩一組形成一個新Hash值的方式，不斷重複進行，直到最後產生一組最終的Hash值，也就是Merkle Tree Root，這個最終的Hash值便會被記錄到Block Header中，只有32 Bytes的大小。Merkle Tree機制可大幅減少資料傳輸量與運算資源消耗，驗證時，只需驗證這個Merkle Tree的Root值即可。
關鍵技術 5
用時間戳伺服器（Timestamp Server）確保區塊序列
比特幣採用時間戳伺服器機制（Timestamp Server），將每個區塊Hash後加上一個時間戳（Timestamp）並發布出去，這個時間戳用來證明資料在特定時間的有效性，每一個時間戳章會與前一個戳章一起進行Hash，這個Hash值會在與下一個時間戳章進行Hash，因此而形成一個用來確保區塊序列的鏈條。
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