[學習筆記] 比特币的區塊和區塊鍊

https://aaron67.cc/2019/01/05/bitcoin-blockchain/

比特币的交易，會被“整理”到區塊中。

網絡活動不斷産生新交易，不斷“整理”出新區塊來記錄“這一段時間内”的交易。

為了能彼此關聯，每個區塊都會記錄它的前一個區塊是什麼，這相當于，區塊按先來後到的順序被“摞”在一起，形成了一條“鍊”。

一個區塊，可以用高度辨別，也可以用哈希辨別。

随着時間的推移，鍊不斷延長，這條區塊鍊，記錄了截至目前為止所有的比特币交易，是比特币網絡的總賬本。

我們說一筆交易被寫入賬本，就是說這筆交易通過了驗證，已經被“整理”進區塊，并得到了全網絡的認可。

這篇文章，介紹比特币的區塊和區塊鍊。

區塊的結構

當你托運作李的時候，航空公司會在你的箱上貼一個标簽，記錄一些必要的基本資訊，友善快速識别。

用區塊存儲交易也是類似的，代碼見 block.h#L61，區塊結構（序列化後）為

長度（位元組）	描述
4	後面緊跟的區塊資料，有多少位元組
80	區塊頭
1~9 VarInt	區塊裡有多少筆交易
變長	各個交易的資料

區塊頭就是這個區塊的“标簽”，代碼見 block.h#L21，區塊頭的結構（序列化後）為

長度（位元組）	字段	描述
4	nVersion	版本号，用來跟蹤軟體或協定的更新
32	hashPrevBlock	前一個區塊（父區塊）的哈希值
32	hashMerkleRoot	一個哈希值，表示這個區塊中全部交易構成的Merkle樹的根
4	nTime	區塊建立的時間，Unix時間戳格式
4	nBits	難度目标，該區塊工作量證明算法的難度目标
4	nNonce	一個用于證明工作量的計數器

你能看到，和交易一樣，序列化後的區塊結構中，也沒有區塊哈希的部分。

這個哈希辨別，可以直接用收到的區塊資料計算出來，并不需要傳輸。通過下面的過程，計算區塊的哈希。

1. 對序列化後的區塊頭資料做 SHA256 運算，得到 S1
2. 對 S1 做 SHA256 運算，得到 S2
3. 按位元組翻轉 S2，得到區塊的哈希

區塊看起來會是下面的樣子，黃色的部分是區塊頭。

高度 100,000 的區塊，從序列化後的區塊資料中找到區塊頭。

01000000  # nVersion
50120119172a610421a6c3011dd330d9df07b63616c2cc1f1cd0020000000000  # hashPrevBlock
6657a9252aacd5c0b2940996ecff952228c3067cc38d4885efb5a4ac4247e9f3  # hashMerkleRoot
37221b4d  # nTime
4c86041b  # nBits
0f2b5710  # nNonce
           

這個區塊在 Unix 時間戳為

0x4d1b2237

時，即

‭1293623863‬

時被建立出來，轉換後的時間為

2010-12-29 11:57:43 UTC

，即中原標準時間

2010-12-29 19:57:43 UTC+8

。

1. 對區塊頭資料做 SHA256，得到 S1 的值

   00844eeb8713eb62bc33df34ca0cfa7af2ee152a6b16788fd3f2fea69861f3c8

2. 對 S1 做 SHA256，得到 S2 的值

   06e533fd1ada86391f3f6c343204b0d278d4aaec1c0b20aa27ba030000000000

3. 按位元組翻轉 S2，得到區塊哈希

   000000000003ba27aa200b1cecaad478d2b00432346c3f1f3986da1afd33e506

關于

nBits

和

nNonce

字段的含義，下篇文章介紹。

Merkle 樹

Merkle 樹是一棵二叉樹，用于歸納一個區塊中的所有交易，代碼見 merkle.cpp。

Merkle 樹會生成整個交易集合的數字指紋，形如

交易會被放在 Merkle 樹最底層的葉子節點上，如圖所示，如果交易的個數是奇數，會複制最後一筆交易補齊，其中：

• H A = S H A 256 ( S H A 256 ( T x   A ) ) H_A = SHA256(SHA256(Tx\ A)) HA​=SHA256(SHA256(Tx A))
• H A B = S H A 256 ( S H A 256 ( H A + H B ) ) H_{AB} = SHA256(SHA256(H_A + H_B)) HAB​=SHA256(SHA256(HA​+HB​))

H A + H B H_A + H_B HA​+HB​ 的意思拼接 H A H_A HA​ 和 H B H_B HB​，如果 H A = 0123 H_A = 0123 HA​=0123， H B = 4567 H_B = 4567 HB​=4567，則 H A + H B = 01234567 H_A + H_B = 01234567 HA​+HB​=01234567。

不管區塊中有多少交易，都使用 Merkle 樹結構進行歸納，最頂上的樹根

Merkle Root

的值，會放到區塊頭的

hashMerkleRoot

字段中。

Merkle 樹将區塊頭和區塊中的交易關聯了起來，如果區塊中的交易發生了變化，Merkle 樹根的值就會變化，進而改變區塊頭，改變整個區塊的哈希辨別。

使用 Merkle 樹的另一個好處是，它提供了一種校驗區塊是否存在某筆交易的高效途徑。對于下面這棵 Merkle 樹，

為了證明交易 K 在區塊中，可以用 H L H_L HL​、 H I J H_{IJ} HIJ​、 H M N O P H_{MNOP} HMNOP​ 和 H A B C D E F G H H_{ABCDEFGH} HABCDEFGH​ 這四個哈希值構造一條“Merkle 路徑”，隻需 128 位元組，任何人都可以用這條路徑，驗證區塊包含交易 K。

Coinbase

一個區塊最多隻能有一筆 Coinbase 交易（一般是區塊中的第一筆交易），它沒有輸入，“無中生有”的産生輸出，即會發行新的比特币。

伴随着區塊的産生，新的比特币會被不斷“創造”出來。

比特币協定規定：

• 每産生 210,000 個區塊，新發行的比特币數量就會減半，直至為零
• 比特币的創世區塊（高度為 0 的區塊），發行 50 個比特币
• 網絡會自動調整某些參數，以保證平均 10 分鐘的區塊生産速度
• 誰建立的區塊，誰就獲得這個區塊中新發行的比特币（構造一個 Coinbase 交易放到區塊中，輸出到自己的位址），及區塊中所有交易的手續費

産生 210,000 個區塊，大約需要四年時間。

• 在比特币運作的第一個四年中，每個區塊創造出 50 個新比特币
• 2012 年 11 月，比特币的發行速度降低到每區塊 25 比特币
• 2016 年 7 月，降低到 12.5 比特币
• 2020 年的某個時候，也就是從區塊高度 630,000 開始，它将再次下降至 6.25 比特币
• 直到第 6,720,000 塊（大約在 2137 年産生），達到比特币的最小機關 1 聰
• 經過 6,930,000 個區塊之後，大約在 2140 年，所有的共

  20999999.97690000

  比特币将全部發行完畢

關于比特币的總量，可以寫個程式算一下。

package main

import "fmt"

func main() {
    totalBitcoin := 0
    halfCount := 0 // 減半的次數
    for coinbase := 5000000000; coinbase >= 1; coinbase /= 2 {
        fmt.Println(coinbase)
        totalBitcoin += coinbase * 210000 // 每 210000 個區塊 Coinbase 減半
        halfCount += 1
    }
    fmt.Println("------------------")
    fmt.Println(halfCount)
    fmt.Println(totalBitcoin)
}

// 輸出
// 5000000000
// 2500000000
// 1250000000
// 625000000
// 312500000
// 156250000
// 78125000
// 39062500
// 19531250
// 9765625
// 4882812
// 2441406
// 1220703
// 610351
// 305175
// 152587
// 76293
// 38146
// 19073
// 9536
// 4768
// 2384
// 1192
// 596
// 298
// 149
// 74
// 37
// 18
// 9
// 4
// 2
// 1
// ------------------
// 33
// 2099999997690000
           

一個要注意的點是，因為 Coinbase 交易不需要輸入，是以你可以在解鎖腳本裡填寫任意值（2 ~ 100 位元組），這個值被稱為 Coinbase 資料。

根據 BIP-34 的要求，Coinbase 資料需要以這個 Coinbase 交易所在的區塊高度開頭。

交易

d0ec21e1d73d06be76c2b5b1e5ec486085bda8264229046c11b95f66f2eded83

的 Coinbase 資料為

03ec59062f48616f4254432f53756e204368756e2059753a205a6875616e67205975616e2c2077696c6c20796f75206d61727279206d653f2f06fcc9cacc19c5f278560300
           

開頭的

0x03

表示，區塊高度資料緊跟其後有 3 位元組，值為

0x0659ec

（小端模式），即 416236。

區塊鍊

注意區塊頭中

hashPrevBlock

字段帶來的神奇效果。

每個區塊，都會将它前一個區塊的哈希值寫在自己的區塊頭中。

區塊的哈希，是對區塊頭的哈希。

如果鍊中的某個區塊資料發生了變化（例如區塊中的交易被替換），那麼這個區塊的哈希也會發生變化（Merkle 樹根發生了變化），同時改變下一個區塊的區塊頭資料及區塊哈希，帶來一連串的連鎖反應。

也就是說，從這個改變了的區塊開始，之後所有的區塊都必須重新計算。

這是比特币區塊鍊一個非常重要的特性。

一段時間内産生的交易通過驗證後，會被打包（整理）進區塊并“告知”全網，網絡中的節點根據規則，選擇接受（跟随）這個區塊（把這個區塊納入總帳本），或者拒絕（丢棄）這個區塊。

比特币網絡是什麼樣子的？區塊是怎麼被建立出來的？建立區塊的人可以獲得獎勵，節點之間是如何互相競争又一起合作的？下篇文章說。 😋

參考

• 精通比特币（第二版）譯文 原文