[学习笔记] 比特币的区块和区块链

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比特币的交易，会被“整理”到区块中。

网络活动不断产生新交易，不断“整理”出新区块来记录“这一段时间内”的交易。

为了能彼此关联，每个区块都会记录它的前一个区块是什么，这相当于，区块按先来后到的顺序被“摞”在一起，形成了一条“链”。

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一个区块，可以用高度标识，也可以用哈希标识。

随着时间的推移，链不断延长，这条区块链，记录了截至目前为止所有的比特币交易，是比特币网络的总账本。

我们说一笔交易被写入账本，就是说这笔交易通过了验证，已经被“整理”进区块，并得到了全网络的认可。

这篇文章，介绍比特币的区块和区块链。

区块的结构

当你托运行李的时候，航空公司会在你的箱上贴一个标签，记录一些必要的基本信息，方便快速识别。

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用区块存储交易也是类似的，代码见 block.h#L61，区块结构（序列化后）为

长度（字节） 描述
4 后面紧跟的区块数据，有多少字节
80 区块头
1~9 VarInt 区块里有多少笔交易
变长 各个交易的数据

区块头就是这个区块的“标签”，代码见 block.h#L21，区块头的结构（序列化后）为

长度（字节） 字段 描述
4 nVersion 版本号，用来跟踪软件或协议的升级
32 hashPrevBlock 前一个区块（父区块）的哈希值
32 hashMerkleRoot 一个哈希值，表示这个区块中全部交易构成的Merkle树的根
4 nTime 区块创建的时间，Unix时间戳格式
4 nBits 难度目标，该区块工作量证明算法的难度目标
4 nNonce 一个用于证明工作量的计数器

你能看到，和交易一样，序列化后的区块结构中，也没有区块哈希的部分。

这个哈希标识，可以直接用收到的区块数据计算出来，并不需要传输。通过下面的过程，计算区块的哈希。

  1. 对序列化后的区块头数据做 SHA256 运算，得到 S1
  2. 对 S1 做 SHA256 运算，得到 S2
  3. 按字节翻转 S2，得到区块的哈希

区块看起来会是下面的样子，黄色的部分是区块头。

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高度 100,000 的区块，从序列化后的区块数据中找到区块头。

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

这个区块在 Unix 时间戳为0x4d1b2237时，即‭1293623863‬时被创建出来，转换后的时间为2010-12-29 11:57:43 UTC，即北京时间2010-12-29 19:57:43 UTC+8。

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  1. 对区块头数据做 SHA256，得到 S1 的值
00844eeb8713eb62bc33df34ca0cfa7af2ee152a6b16788fd3f2fea69861f3c8
  1. 对 S1 做 SHA256，得到 S2 的值
06e533fd1ada86391f3f6c343204b0d278d4aaec1c0b20aa27ba030000000000
  1. 按字节翻转 S2，得到区块哈希
000000000003ba27aa200b1cecaad478d2b00432346c3f1f3986da1afd33e506

关于nBits和nNonce字段的含义，下篇文章介绍。

Merkle 树

Merkle 树是一棵二叉树，用于归纳一个区块中的所有交易，代码见 merkle.cpp。

Merkle 树会生成整个交易集合的数字指纹，形如

交易会被放在 Merkle 树最底层的叶子节点上，如图所示，如果交易的个数是奇数，会复制最后一笔交易补齐，其中：

  • $H_A = SHA256(SHA256(Tx\ A))$
  • $H_{AB} = SHA256(SHA256(H_A + H_B))$

$H_A + H_B$ 的意思拼接 $H_A$ 和 $H_B$，如果 $H_A = 0123$，$H_B = 4567$，则 $H_A + H_B = 01234567$。

不管区块中有多少交易，都使用 Merkle 树结构进行归纳，最顶上的树根Merkle Root的值，会放到区块头的hashMerkleRoot字段中。

Merkle 树将区块头和区块中的交易关联了起来，如果区块中的交易发生了变化，Merkle 树根的值就会变化，从而改变区块头，改变整个区块的哈希标识。

使用 Merkle 树的另一个好处是，它提供了一种校验区块是否存在某笔交易的高效途径。对于下面这棵 Merkle 树，

为了证明交易 K 在区块中，可以用 $H_L$、$H_{IJ}$、$H_{MNOP}$ 和 $H_{ABCDEFGH}$ 这四个哈希值构造一条“Merkle 路径”，只需 128 字节，任何人都可以用这条路径，验证区块包含交易 K。

Coinbase

一个区块最多只能有一笔 Coinbase 交易（一般是区块中的第一笔交易），它没有输入，“无中生有”的产生输出，即会发行新的比特币。

伴随着区块的产生，新的比特币会被不断“创造”出来。

比特币协议规定：

  • 每产生 210,000 个区块，新发行的比特币数量就会减半，直至为零
  • 比特币的创世区块（高度为 0 的区块），发行 50 个比特币
  • 网络会自动调整某些参数，以保证平均 10 分钟的区块生产速度
  • 谁创建的区块，谁就获得这个区块中新发行的比特币（构造一个 Coinbase 交易放到区块中，输出到自己的地址），及区块中所有交易的手续费

产生 210,000 个区块，大约需要四年时间。

  • 在比特币运行的第一个四年中，每个区块创造出 50 个新比特币
  • 2012 年 11 月，比特币的发行速度降低到每区块 25 比特币
  • 2016 年 7 月，降低到 12.5 比特币
  • 2020 年的某个时候，也就是从区块高度 630,000 开始，它将再次下降至 6.25 比特币
  • 直到第 6,720,000 块（大约在 2137 年产生），达到比特币的最小单位 1 聪
  • 经过 6,930,000 个区块之后，大约在 2140 年，所有的共20999999.97690000比特币将全部发行完毕

关于比特币的总量，可以写个程序算一下。

decimal = 8
half_period = 210000
coinbase = 50 * 10 ** decimal

total_bitcoin = coinbase * half_period
half_count = 0
while True:
    coinbase //= 2
    if coinbase == 0:
        break
    total_bitcoin += coinbase * half_period
    half_count += 1
    print(f'{half_count}\t{coinbase}')

print()
print(half_count)
print(format(total_bitcoin / 10 ** decimal, '.8f'))

# 1   2500000000
# 2   1250000000
# 3   625000000
# 4   312500000
# 5   156250000
# 6   78125000
# 7   39062500
# 8   19531250
# 9   9765625
# 10  4882812
# 11  2441406
# 12  1220703
# 13  610351
# 14  305175
# 15  152587
# 16  76293
# 17  38146
# 18  19073
# 19  9536
# 20  4768
# 21  2384
# 22  1192
# 23  596
# 24  298
# 25  149
# 26  74
# 27  37
# 28  18
# 29  9
# 30  4
# 31  2
# 32  1

# 32
# 20999999.97690000

一个要注意的点是，因为 Coinbase 交易不需要输入，所以你可以在解锁脚本里填写任意值（2 ~ 100 字节），这个值被称为 Coinbase 数据。

根据 BIP-34 的要求，Coinbase 数据需要以这个 Coinbase 交易所在的区块高度开头。

交易d0ec21e1d73d06be76c2b5b1e5ec486085bda8264229046c11b95f66f2eded83的 Coinbase 数据为

03ec59062f48616f4254432f53756e204368756e2059753a205a6875616e67205975616e2c2077696c6c20796f75206d61727279206d653f2f06fcc9cacc19c5f278560300

开头的0x03表示，区块高度数据紧跟其后有 3 字节，值为0x0659ec（小端模式），即 416236。

区块链

注意区块头中hashPrevBlock字段带来的神奇效果。

每个区块，都会将它前一个区块的哈希值写在自己的区块头中。

区块的哈希，是对区块头的哈希。

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如果链中的某个区块数据发生了变化（例如区块中的交易被替换），那么这个区块的哈希也会发生变化（Merkle 树根发生了变化），同时改变下一个区块的区块头数据及区块哈希，带来一连串的连锁反应。

也就是说，从这个改变了的区块开始，之后所有的区块都必须重新计算。

这是比特币区块链一个非常重要的特性。

一段时间内产生的交易通过验证后，会被打包（整理）进区块并“告知”全网，网络中的节点根据规则，选择接受（跟随）这个区块（把这个区块纳入总帐本），或者拒绝（丢弃）这个区块。

比特币网络是什么样子的？区块是怎么被创建出来的？创建区块的人可以获得奖励，节点之间是如何相互竞争又一起合作的？下篇文章说。 😋

参考