Comunion 区块链深度学习系列｜区块链进阶原理：构成

本系列内容包含：基本概念及原理、密码学、共识算法、钱包及节点原理、挖矿原理及实现。

区块结构构成

每个区块主要包括区块头（下图灰色的部分）和交易主体（下图橙色的部分）两部分。

整个区块头中内容包含：

第一个是前序区块的哈希，这样区块才能跟前面区块链起来，形成一个链；

第二个是时间戳，表明区块是在什么时间被挖出来的；

第三个是难度的目标值，矿工挖矿的过程，其实就是在不断的计算挖出来的区块是否和难度值相匹配；

第四个Nonce 是一个随机数；

最后 Merkle root ，记录的是整个包含在当前区块中所有交易的交易哈希，Merkle root是通过交易哈希计算出来的。

我们通过下图比特币的一个区块结构来具体分析一些。

1、Magic Number（魔数）占4个字节，一般是固定值；

2、Block Size（区块大小）占4个字节，可变值；

3、Version（版本）占4个字节，标明当前版本，固定值；

4、Previous Block Hash（前序区块哈希）占32个字节，可变值；

5、Merkle Root（默克尔根）占32个字节，可变值；

6、Timestamp（时间戳）占4个字节，可变值；

7、Difficulty（难度值）占4个字节，可变值；

8、Nonce（随机数）占4个字节，可变值；

9、Transaction Counter（交易的数量）占1-9个字节，可变值；

10、总共的Transaction List（交易列表）加在一起总共是1MB。

区块哈希

每个区块都有其唯一标识，这就是区块的哈希，区块哈希是由区块头中的几部分来构成。

从上图可以看出

区块0对区块头中的中间标红部分进行哈希计算，得到当前区块0的哈希，然后区块0的哈希会填入下一个区块（区块1）中，作为下一个区块头的一部分。

以此类推，所有的区块都会按照这个顺序不断的加下去，所以通过前序区块的哈希就可以找到唯一的前一个区块，从而达到所有区块可追溯的目的，这样也保证了区块链是完整的，唯一的。

哈希运算

上图中大家可以看到左侧有五句话，中间是哈希算法，经过运算之后得到对左侧话语的哈希运算结果。

图中的第一句话只有三个字，第二、三、四句话的区别只有一个字，第五句话完全不同。

我们可以看出，不管字数多少，哪怕只改一个字，最终结果却是完全不同的，并且完全没有任何规律。

哈希运算的这种特性，保证了数据的不可变更。因为一旦变更之后，整个结果就变了。所以在很多场合中，我们可以通过验证哈希来保证被加密文本有没有被改变。

哈希运算的这个特点保证了，即使区块中有即使两个区块只有一个字节不一样，这两个区块的哈希也是完全不一样的，从而保证区块链中所有的区块哈希都是完全唯一的。

Merkle root

Merkle root 涉及一个区块头中非常重要的一个部分，但是它却和区块头中其它几个部分是没有任何关系的。

与 Merkle root 最大关系的就是整个区块头区块中的所有交易，这些交易决定了 Merkle root 的值，然后通过Merkle root 的值来影响整个区块的哈希。

Merkle root 是如何计算的呢？

从上图中我们看到是由16个交易组成了 Merkle root，也称之为默克尔根。

所有的这16个交易，都排布在交易的最底层，AB是一对，CD是一对，一直到OP。其中HA呢表示交易A的哈希，以此类推。

计算的过程中，是将HA和HB拼成一个字符串，然后对这个字符串进行哈运算，得到了HAB。以此类推，分别计算后面的哈希。

第一层算完以后，所有的哈希由16个缩短为8个，继续按照同样的方式经过第二层计算以后，哈希缩短为4个……以此类推，最终得到Merkle root，这种结构也称之为默克尔树。

这种结构不单单标记了所有交易的顺序，也标记了所有交易的关系，并且通过这种非常巧妙的方式，也降低了Merkle root的计算次数。因为整个的计算层次是2的幂指数的情况，即使交易呈指数的增加，其计算次数也不会增加很多。

有一种情况是假如默克尔根不正好是2的幂指数怎么办？比如说只有3个或者5个交易，这种情况该如何计算呢？

上图图中我们看到只有3个交易，由于HC是单独的，它的旁边没有另外一个交易和它拼成一个字符串，这种情况下就会选择将HC复制，也就是两个HC拼一个完整字符串，从而得到HCC。最后，将HAB和HCC拼成一个字符串HABCC进行计算。以此完成这个只有3个交易的Merkle root计算。

总结：计算Merkle root的时候，首先将所有的交易有序的平铺在一层，然后两两一组，逐步获得上一层的哈希；

当某个交易哈希，为单数的时候，这时将这个哈希复制一份来进行补足，然后继续进行上层计算，直到最终完成 Merkle root 计算；

通过这种方式，可以将区块中所有的交易绑定在一起，并且交易的内容和顺序都是确定的；

最后将Merkle root填到区块头中，既保证了所有的交易摘要在区块头中有一个记录，又保证了区块中所有交易的不可篡改。

其他

时间戳 记录当前区块是在什么时间被挖出来的，它会在浏览器中把时间轴转换成当地时间的格式，也就是我们在区块链浏览器中看到的区块时间。

挖矿难度 其实是一个目标值，只有矿工挖出来的区块，满足这个难度值的时候，这个区块才会被全网的其它节点来确认。

Nonce 是一个随机数，矿工挖矿的过程中，就是不断的在尝试修改这个随机数。