从Java角度看区块链实践系列4：从区块结构的“链”结构结构以及Merkle树，什么是软硬分叉？

之前我们介绍了P2P网络结构，了解到在区块网络间节点如何建立连接、如何通讯，这一节，再来说一下“链”的概念，如何从一个一个的区块组成“区块链”。

区块结构

区块是一种被包含在公开账簿（区块链）里的聚合了交易信息的容器数据结构。比特币每10分钟产生一个区块，最初单个区块大小限制在1M，随后引入了“隔离见证”，区块体积也随之扩大。

区块的结构有一下几部分组成：

字段	大小（bytes）	描述
Block Size	4	区块大小
Block Header	80	区块头
Transaction counter	1-9	交易计数器
Transactions	不确定	记录在区块里的交易信息，使用原生的交易信息格式

区块头

字段	大小（bytes）	描述
Version	4	版本号
Previous Block Hash	32	前一个（父）区块的哈希引用
Merkle Root	32	块的Merkle根哈希
Timestamp	4	时间戳
Difficulty Target	4	挖矿的目标难度
Nonce	4	满足目标难度的随机值

除此之外，区块哈希和区块高度都是区块的唯一标识。我们将区块链第一个创建出来的区块称为“创世区块”，区块链里第一个区块于2009年被创建。

区块的哈希是通过对区块头进行SHA256哈希的结果。

区块连接成“链”

区块由远至近的有序的连接在一起，每一个区块都指向前一个区块，形成一个“链条”，这样的链条我们就称为“区块链”。区块链有点类似于“栈”结构，第一个区块在栈底，随后每个新增的区块都被放置到前一个区块的上面。每个区块只能拥有一个父区块，但可以拥有多个子区块，一个区块拥有多个子区块的现象被称为“区块链分叉”，区块链分叉只是短暂的状态。比特币遵循最长链原则，意指当发生分叉时，最终拥有子孙代区块最多的链获胜，成为主链，其他的链最终将被废弃。

比特币通过Google的LevelDB存储区块数据。

由于区块哈希通过区块头进行SHA256运算，区块头中包含了父区块哈希的引用，这种“瀑布效应”保证了区块不会发生改变，除非强制修改此后的所有区块。

通过引用前面的区块头哈希连接成区块链

Merkle树

区块链中的每个区块都包含了产生于该区块的所有交易，且以Merkle树表示。Merkle是一种哈希二叉树，它是一种用作快速归纳和校验大规模数据完整性的数据结构。

计算默克树中的节点

 

Merkle树是自底向上构建的。首先对块进行SHA256计算，得到区块Hash，然后相邻两个区块的哈希值串联在一起，进行双哈希运算（double-SHA256）成父哈希节点，以此类推，直至最后生成唯一的一个根节点，这个节点就称为“Merkle根”。

例如：HA 是哈希后 SHA256(SHA256(Transaction A))的结果，然后HAB是SHA256(SHA256(HA + HB))，以此类推得到Merkle根。

同时，Merkle是二叉树结构的，所以节点数必须为偶数，如果是奇数，最后一个叶子节点则会复制一份，进行哈希运算。

Merkle树的时间复杂度与二叉树一致为 O(log n) ，其中n = 2^k是所有的区块数,k是最多需要哈希的次数。

SPV和Merkle树

现在我们可以回到上节课，所说的SPV轻节点怎么验证交易的问题上。

SPV节点与对等节点建立Bloom过滤器后，对等节点会将符合Bloom过滤器的交易以MerkleBlock消息的形式响应给SPV节点，MerkleBlock消息包含了区块头和一条目标交易与Merkle根的Merkle路径。

随后，SPV节点可以使用该路径快速的找到与该交易相关的区块，进而验证对应区块中是否存在该交易。SPV只接收了Merkle路径，相比于完整的区块数据少了一千多倍。

 

科普扫盲——什么是区块链软分叉、硬分叉？

区块链升级时如果不向前兼容（仅向后兼容）则是硬分叉，此时就会产生新的分支币，著名的以太坊The DAO事件（涉及DAO合约攻击在后续合约审核部分详细介绍）以太坊分叉成两条链，一条原链ETC，另外一条ETH。而软分叉则指升级投票时需所有区块一致同意，此时会向前兼容，同时也向后兼容，一般像性能升级，都会是软分叉。

软分叉是指区块链网络系统版本升级或协议进行升级，升级后向前兼容，新老节点还在同一条链上工作。

比特币硬分叉事件：

北京时间2018年11月16日凌晨0点40分，BCH进行一场备受瞩目的硬分叉，数字货币史上第一次算力战打响。这场算力对决的双方，一方是自称是“中本聪”的Craig Wright和他背后的赌博业巨富Calvin Ayre支持的nChain开发团队，另一方是Bitcoin ABC开发团队，以及背后的支持者比特大陆创始人吴忌寒和“比特币耶稣”Roger Ver。由于双方未能就如何最好地发展BCH及部署更新代码达成一致，最终走向硬分叉，BCH分裂为BCH ABC和BCH SV两个阵营，并约定用算力战定生死。BCH是于2017年8月由比特币硬分叉得来，时隔一年之后再次迎来分裂，并且这次是在没有重放保护的前提下，通过算力竞争互相搏杀。作为市值第四大的数字货币，BCH算力战引起了行业的广泛关注，并波及到比特币和整个数字货币市场，对未来的社区治理模式带来了深远影响。

BCH算力战从16日开始，到11月23日SV方认输放弃争夺冠名权，持续一周有余。自此，算力战正式结束，BCH分叉为BCH原链和BSV链，BSV诞生。

总结

这一片为大家讲解了一下，所谓“区块链”的结构，区块以栈的形式由远到近组成“链”，随后又讲解了Merkle树结构，主要为下一篇Merkle树实战打下理念基础，下一篇我将为大家实战Java实现Merkle树。

由于工作原因，文章会不定期更新，请见谅！同时，文章有不足之处，欢迎指教~不胜感激！

参考文献：

《精通比特币第二版》

硬分叉BSV的诞生