簡介

比特幣的底層就是區(qū)塊鏈技術(shù)，區(qū)塊鏈也是因?yàn)楸忍貛哦鴱V為人知的。和其他的區(qū)塊鏈技術(shù)相比，比特幣的區(qū)塊鏈有什么特征呢？作為去區(qū)塊鏈的鼻祖，又有什么與眾不同的特性呢？快來跟我們一起看看吧。

比特幣的網(wǎng)絡(luò)

比特幣使用的是P2P（peer-to-peer）網(wǎng)絡(luò)，此P2P非彼P2P，這里是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，而不是人對(duì)人的借錢模式。

P2P是指位于同一網(wǎng)絡(luò)中的每臺(tái)計(jì)算機(jī)都彼此對(duì)等，各個(gè)節(jié)點(diǎn)共同提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，不存在任何“特殊”節(jié)點(diǎn)。每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)以“扁平（flat）”的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相互連通。在P2P網(wǎng)絡(luò)中不存在任何服務(wù)端（server）、中央化的服務(wù)、以及層級(jí)結(jié)構(gòu)。

傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是client-server的模式，所有的client都是和server交互獲取信息， 只要server掛掉了，client也就沒有用了。

而在P2P網(wǎng)絡(luò)中，沒有server的概念，每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以作為一個(gè)server。對(duì)比起來P2P網(wǎng)絡(luò)在穩(wěn)定性方面要比C-S架構(gòu)的系統(tǒng)要穩(wěn)定得多。

網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)與同步

既然是P2P網(wǎng)絡(luò)，那么問題來了，這個(gè)P2P網(wǎng)絡(luò)是怎么建立起來的呢？節(jié)點(diǎn)之間是怎么發(fā)現(xiàn)的呢？

有做過P2P下載的同學(xué)應(yīng)該都聽說過種子的概念，這個(gè)種子里面保存了其他活躍的節(jié)點(diǎn)的地址。通過下載種子就可以連接對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)。

而每個(gè)節(jié)點(diǎn)又保存了最近連接或者活躍的節(jié)點(diǎn)，這樣就形成了龐大的P2P網(wǎng)絡(luò)。

同樣的，比特幣的P2P網(wǎng)絡(luò)也是這樣的。

新節(jié)點(diǎn)是如何發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的對(duì)等節(jié)點(diǎn)的呢？雖然比特幣網(wǎng)絡(luò)中沒有特殊節(jié)點(diǎn)，但是客戶端會(huì)維持一個(gè)列表，那里列出了那些長期穩(wěn)定運(yùn)行的節(jié)點(diǎn)。這樣的節(jié)點(diǎn)被稱為“種子節(jié)點(diǎn)（seed nodes）”

節(jié)點(diǎn)必須持續(xù)進(jìn)行兩項(xiàng)工作：在失去已有連接時(shí)發(fā)現(xiàn)新節(jié)點(diǎn)，并在其他節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)時(shí)為其提供幫助。

SPV節(jié)點(diǎn)

我們之前介紹了，在比特幣的世界里既沒有賬戶，也沒有余額，只有分散到區(qū)塊鏈里的UTXO（Unspent Transaction Outputs）。

那么如果想要驗(yàn)證交易的話，需要從歷史的交易中查找所有的和該交易有關(guān)的交易，從而進(jìn)行完整，全面的驗(yàn)證。

這樣做的問題就是，如果下載所有的歷史記錄，那么需要上百G的硬盤空間，這對(duì)于手機(jī)或者其他輕量級(jí)的客戶端是無法想象的。

于是SPV出現(xiàn)了。SPV的全稱是Simplified payment verification，叫做簡單認(rèn)證支付。

SPV保存的不是整個(gè)區(qū)塊鏈，而是區(qū)塊鏈的頭部，因?yàn)槊總€(gè)區(qū)塊鏈頭只有80字節(jié)，所以即使把所有的區(qū)塊頭都下載保存起來也不會(huì)很大。

區(qū)塊鏈頭

區(qū)塊頭由三組區(qū)塊元數(shù)據(jù)組成。首先是一組引用父區(qū)塊哈希值的數(shù)據(jù)，這組元數(shù)據(jù)用于將該區(qū)塊與區(qū)塊鏈中前一區(qū)塊相連接。

第二組元數(shù)據(jù)，即難度、時(shí)間戳和nonce，與挖礦競爭相關(guān)。

第三組元數(shù)據(jù)是merkle樹根（一種用來有效地總結(jié)區(qū)塊中所有交易的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)）。

Nonce、難度目標(biāo)和時(shí)間戳?xí)糜谕诘V過程，Merkle根用來索引和組織該區(qū)塊所有的交易信息。

上圖是一個(gè)區(qū)塊鏈頭組成的鏈。

Merkle Tree

Merkle Tree，是一種樹（數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中所說的樹），網(wǎng)上大都稱為Merkle Hash Tree,這是因?yàn)?它所構(gòu)造的Merkle Tree的所有節(jié)點(diǎn)都是Hash值。Merkle Tree具有以下特點(diǎn)：

1.  它是一種樹，可以是二叉樹，也可以多叉樹，無論是幾叉樹，它都具有樹結(jié)構(gòu)的所有特點(diǎn)；
2.  Merkle樹的葉子節(jié)點(diǎn)上的value，是由你指定的，這主要看你的設(shè)計(jì)了，如Merkle Hash Tree會(huì)將數(shù)據(jù)的Hash值作為葉子節(jié)點(diǎn)的值；
3.  非葉子節(jié)點(diǎn)的value是根據(jù)它下面所有的葉子節(jié)點(diǎn)值，然后按照一定的算法計(jì)算而得出的。如Merkle Hash Tree的非葉子節(jié)點(diǎn)value的計(jì)算方法是將該節(jié)點(diǎn)的所有子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行組合，然后對(duì)組合結(jié)果進(jìn)行hash計(jì)算所得出的hash value。

有了Merkle Tree，我們只需要知道和要驗(yàn)證的交易相關(guān)的其他Merkle Tree中的信息，就可以計(jì)算出整個(gè)Merkle Tree的值，這樣就可以直接使用頭部信息進(jìn)行驗(yàn)證了。這就是SPV的原理。

比特幣中的區(qū)塊鏈

區(qū)塊鏈?zhǔn)怯砂灰仔畔⒌膮^(qū)塊從后向前有序鏈接起來的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。它可以被存儲(chǔ)為flat file（一種包含沒有相對(duì)關(guān)系記錄的文件），或是存儲(chǔ)在一個(gè)簡單數(shù)據(jù)庫中。

比特幣核心客戶端使用Google的LevelDB數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)區(qū)塊鏈元數(shù)據(jù)。

它由一個(gè)包含元數(shù)據(jù)的區(qū)塊頭和緊跟其后的構(gòu)成區(qū)塊主體的一長串交易組成。區(qū)塊頭是80字節(jié)，而平均每個(gè)交易至少是250字節(jié)，而且平均每個(gè)區(qū)塊至少包含超過500個(gè)交易。

區(qū)塊標(biāo)識(shí)符

那怎么表示一個(gè)區(qū)塊呢？我們使用區(qū)塊標(biāo)志符。

區(qū)塊主標(biāo)識(shí)符是它的加密哈希值，一個(gè)通過SHA256算法對(duì)區(qū)塊頭進(jìn)行二次哈希計(jì)算而得到的數(shù)字指紋。產(chǎn)生的32字節(jié)哈希值被稱為區(qū)塊哈希值，但是更準(zhǔn)確的名稱是：區(qū)塊頭哈希值，因?yàn)橹挥袇^(qū)塊頭被用于計(jì)算。

第二種識(shí)別區(qū)塊的方式是通過該區(qū)塊在區(qū)塊鏈中的位置，即“區(qū)塊高度（block height）”。第一個(gè)區(qū)塊，其區(qū)塊高度為0

和區(qū)塊哈希值不同的是，區(qū)塊高度并不是唯一的標(biāo)識(shí)符。雖然一個(gè)單一的區(qū)塊總是會(huì)有一個(gè)明確的、固定的區(qū)塊高度，但反過來卻并不成立，一個(gè)區(qū)塊高度并不總是識(shí)別一個(gè)單一的區(qū)塊。兩個(gè)或兩個(gè)以上的區(qū)塊可能有相同的區(qū)塊高度，在區(qū)塊鏈里爭奪同一位置。

創(chuàng)世區(qū)塊

區(qū)塊鏈里的第一個(gè)區(qū)塊創(chuàng)建于2009年，被稱為創(chuàng)世區(qū)塊。它是區(qū)塊鏈里面所有區(qū)塊的共同祖先，這意味著你從任一區(qū)塊，循鏈向后回溯，最終都將到達(dá)創(chuàng)世區(qū)塊。

因?yàn)閯?chuàng)世區(qū)塊被編入到比特幣客戶端軟件里，所以每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都始于至少包含一個(gè)區(qū)塊的區(qū)塊鏈，這能確保創(chuàng)世區(qū)塊不會(huì)被改變。每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都“知道”創(chuàng)世區(qū)塊的哈希值、結(jié)構(gòu)、被創(chuàng)建的時(shí)間和里面的一個(gè)交易。因此，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都把該區(qū)塊作為區(qū)塊鏈的首區(qū)塊，從而構(gòu)建了一個(gè)安全的、可信的區(qū)塊鏈的根。

創(chuàng)世區(qū)塊的哈希值為：

0000000000 19d6689c085ae165831e934ff763ae46a2a6c172b3f1b60a8ce26f

創(chuàng)世區(qū)塊包含一個(gè)隱藏的信息。在其Coinbase交易的輸入中包含這樣一句話“The Times 03/Jan/2009 Chancellor on brink of second bailout forbanks.”這句話是泰晤士報(bào)當(dāng)天的頭版文章標(biāo)題，引用這句話，既是對(duì)該區(qū)塊產(chǎn)生時(shí)間的說明，也可視為半開玩笑地提醒人們一個(gè)獨(dú)立的貨幣制度的重要性，同時(shí)告訴人們隨著比特幣的發(fā)展，一場前所未有的世界性貨幣革命將要發(fā)生。該消息是由比特幣的創(chuàng)立者中本聰嵌入創(chuàng)世區(qū)塊中。

coinbase的值是：04ffff001d0104455468652054696d65732030332f4a616e2f32303039204368616e63656c6c6f72206f6e206272696e6b206f66207365636f6e64206261696c6f757420666f722062616e6b73

解碼方法如下:

在python shell下：

"04ffff001d0104455468652054696d65732030332f4a616e2f32303039204368616e63656c6c6f72206f6e206272696e6b206f66207365636f6e64206261696c6f757420666f722062616e6b73".decode('hex')

輸出：

'x04xffxffx00x1dx01x04EThe Times 03/Jan/2009 Chancellor on brink of second bailout for banks'

總結(jié)

本文介紹了比特幣的網(wǎng)絡(luò)和比特幣中的區(qū)塊鏈的相關(guān)概念，希望大家能夠喜歡。