四、区块链的技术原理

上一篇已经详细介绍了区块的整个结构组成。

在这一篇中我们将结合区块中的信息介绍几点核心算法，同时也是整个区块链中核心中的核心，敲黑板，划重点。

这篇我们将会讲到：

上一篇中提到的Merkle树是什么？Merkle树的树根 —Merkle Root 的算法。
上一篇中提到的区块Hash值的算法。
挖矿合法性算法验证。

1、Merkle Tree

1）Merkle Tree是一种树，大多数是二叉树，也可以多叉树，无论是几叉树，它都具有树结构的所有特点；

2）Merkle Tree的叶子节点的value是数据集合（区块体中的数据）的单元数据或者单元数据HASH。

3）非叶子节点的value是根据它下面所有的叶子节点值，然后按照Hash算法计算而得出的。

Merkle Tree可以看做前面所说Hash List的泛化，Hash List可以看作一种特殊的Merkle Tree，即树高为2的多叉Merkle Tree。

在最底层，和哈希列表一样，我们把数据分成小的数据块，有相应地哈希和它对应。但是往上走，注意，这里并不是和Hash List一样直接去运算根哈希，而是把相邻的两个数据哈希合并成一个字符串，然后将这个由两个Hash值拼成的字符串计算出新的Hash，，这样每两个哈希就结婚生子，得到了一个”子哈希“。如果最底层的哈希总数是单数，那到最后必然出现一个单身哈希，这种情况就直接对它进行哈希运算，所以也能得到它的子哈希。于是往上推，依然是一样的方式，可以得到数目更少的新一级哈希，最终必然形成一棵倒挂的树，到了树根的这个位置，这一代就剩下一个根哈希了，我们把它叫做 Merkle Root，而这就是所谓的Merkle Root的生成过程。

merkle树和merkle root：

9fdb5ff611af11e98608525400b4d70f.png

前面已经讲过，在p2p网络下载网络之前是如何通过Hash值来验证数据的完整性。

而Merkle Tree和Hash List的主要区别是，Merkle Tree可以直接下载并立即验证Merkle Tree的一个分支。因为可以将文件切分成小的数据块，这样如果有一块数据损坏，仅仅重新下载这个数据块就行了。如果文件非常大，那么Merkle tree和Hash list都很难做到，但是Merkle tree可以一次下载一个分支，然后立即验证这个分支，如果分支验证通过，就可以下载数据了。而Hash list只有下载整个hash list才能验证。（前面花了比较大的篇幅介绍了Hash算法，就是为了让大家提前了解，如何利用Hash去保证数据的一致性，这里的merkle root也是这个作用，只不过算法上有区别）

说了这么多， Hash Root也好、Merkle Root也罢，不管算法如何，剥开层层外壳，对于我们而言，它们的核心价值就是——验证确保数据的真伪性，我们常说区块链的数据不可篡改性也就是基于这一点。

2、区块Hash的生成

区块Hash是代表区块的唯一值，它有着一套固定的算法。

这里我们将采用验证法来还原Hash的生成。

以比特币区块277316为例（其信息来自网站http://blockchain.info）

企业微信截图_15615194036585.png

以上是区块高度为277316的区块的区块头的所有数据。

现在开始对区块277316的Hash值进行验证。

第一步，准备数据

1、版本号的十进制：2

2、merkle root+pre_hash的16进制：

0000000000000002a7bbd25a417c0374cc55261021e8a9ca74442b01284f0569
c91c008c26e50763e9f548bb8b2fc323735f73577effbc55502c51eb4cc7cf2e

3、2013-12-27 23:11:54 的时间戳：1388185914

4、难度目标（Bits）的十进制：419668748

5、随机数（nonce）的十进制：924591752

第二步，全部转换为16进制

1、00000002
2、0000000000000002a7bbd25a417c0374cc55261021e8a9ca74442b01284f0569
   c91c008c26e50763e9f548bb8b2fc323735f73577effbc55502c51eb4cc7cf2e
3、52be093a
4、1903a30c
5、371c2688

第三步，从big-endian转化为little-endian

先解释一下什么是endian？简单理解就是Big-endian是高字节在低地址，Litter-endian则高字节在高地址。

比如，int a = 0x05060708
在big-endian的情况下存放为：

字节号 0 1 2 3
数据 05 06 07 08

在little-endian的情况下存放为：

字节号 0 1 2 3
数据 08 07 06 05

发明人中本聪可能为了让机器计算更快，而变为了更接近机器的编码方式little-endian.

所以第二步的数据我们通过从big-endian转化为little-endian，得到了：

1、02000000
2、69054f28012b4474caa9e821102655cc74037c415ad2bba70200000000000000
   2ecfc74ceb512c5055bcff7e57735f7323c32f8bbb48f5e96307e5268c001cc9
3、3a09be52
4、0ca30319
5、88261c37

第四步，拼接字符串，开始验证

1、我们将上面准备的字符数据重新拼接成一个新的字符串，这个字符串我们称之为
“block_header”：

02000000
+
69054f28012b4474caa9e821102655cc74037c415ad2bba702000000000000002ecfc74ceb512c5055bcff7e57735f7323c32f8bbb48f5e96307e5268c001cc9
+
3a09be52
+
0ca30319
+
88261c37

最终拼接得到的字符串block_header为:

0200000069054f28012b4474caa9e821102655cc74037c415ad2bba702000000000000002ecfc74ceb512c5055bcff7e57735f7323c32f8bbb48f5e96307e5268c001cc93a09be520ca3031988261c37

2、将上面的 block_header转成hex形式得到字节流：

b'\x02\x00\x00\x00i\x05O(\x01+Dt\xca\xa9\xe8!\x10&U\xcct\x03|AZ\xd2\xbb\xa7\x02\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00.\xcf\xc7L\xebQ,PU\xbc\xff~Ws_s#\xc3/\x8b\xbbH\xf5\xe9c\x07\xe5&\x8c\x00\x1c\xc9:\t\xbeR\x0c\xa3\x03\x19\x88&\x1c7'

3、对这个值进行两次SHA256运算，为什么要两次，这是因为SHA1在2017年被攻破，后面大家都觉得一次SHA256计算不安全。

两次SHA-256,即SHA256(SHA256(Hex(block_header)))，最终得到字节流：

b'\xc4\xbd\xc7,\x1b\xb3\xa9D\xd9\xf2~\xb9(\xa9\xc4A\xdb\x96^\t;\xa1\xb9\xb6\x01\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00'

4、重新编码得到：

c4bdc72c1bb3a944d9f27eb928a9c441db965e093ba1b9b60100000000000000

看到后面有一堆0，感觉胜利的曙光快来了。其实这里实际上已经完成了，但是得到这个值是little-endian小端模式的，比特币区块上所记录的值也确实是这个值，但是我们在平常使用和网页浏览展示时，都是使用Big-endian大端顺序

所以这里我们再进行一次从little-endian转化为big-endian，就能得到：

0000000000000001b6b9a13b095e96db41c4a928b97ef2d944a9b31b2cc7bdc4

大功告成，看看http://blockchain.info所查询到的，完全一致，说明我们的方法是正确的，区块Hash的算法就是以我们前面的验算步骤一步步得来的。

企业微信截图_15615194036585.png

总的来说，算法不难，最难的地方就在于亲自验算的过程中，要把所有的隐藏知识都挖掘出来。中文资料中，极少有人做详细的通篇验算，而一旦真正理解了验算的过程，我们会发现比特币的算法真的不难。

附代码：

  //拼接block_header
    String header_hex = "02000000"
                  +
             "69054f28012b4474caa9e821102655cc74037c415ad2bba702000000000000002ecfc74ceb512c5055bcff7e57735f7323c32f8bbb48f5e96307e5268c001cc9"
                  +
            "3a09be52"
                  +
            "0ca30319"
                  +
            "88261c37";
       //字节串转成字节流
      String header_bin  = encode(header_hex.getBytes());
      System.out.println("HexUtil.encode Result : "+header_bin);

      // 双重hash
     String hash = applySha256(applySha256(header_bin));
     System.out.println("hash : "+hash);

     //字节流转成字符串
     decode(hash);
     System.out.println("hash : "+hash);

3，区块的合法性验证

如何确认区块的合法性，前面在介绍区块头时有提及过，简而言之就是区块Hash必须要小于Target Bits （目标难度值）。

这里我们继续采用验算法来验证过程。

区块Hash值在上一节已经得到验证，我们算出的是
第一步、准备数据

0000000000000001b6b9a13b095e96db41c4a928b97ef2d944a9b31b2cc7bdc4

Bits ：419668748
最大目标：0x00000000FFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFF
区块Hash：0000000000000001b6b9a13b095e96db41c4a928b97ef2d944a9b31b2cc7bdc4

第二步、将Bits 转成 16进制得到：

1903a30c

第三步、将1903a30c进行拆分，前2位我们称为幂者指数，后面6位称为系数，拆分后得到

19 和 03a30c

第四步、将拆分的值代入固定公式：

目标值=系数2^（8（幂者指数-3））次方

即：目标值 = 0x03a30c2^（8（0x19-3））

最终计算出来的就是真正意义上的目标值了。

0000000000000003a30c00000000000000000000000000000000000000000000

第五步、验算

target bits：

0000000000000003a30c00000000000000000000000000000000000000000000

max target：

0x00000000FFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFF

计算结果target bits 小于难度目标 max target，符合要求，那这个结果就一定是网站上公布的数字了。

正确的hash值

在挖矿时，nonce随机数是未知的，要从0试到2^32，但是这个数字其实不大，只有4294967296次。以现在的一台矿机动辄14T每秒的算力，全部算完到上限也不需要一秒。所以需要使用创币交易中的附带信息，额外的字符串成为extra nonce，例如中本聪在比特币的创世区块中写道“The Times 03/Jan/2009 Chancellor on brink of second ballout for banks”（英国泰晤士报2009年1月3日文，财政大臣正处于实施第二轮银行紧急援助的边缘）嘲讽中心化的银行。

在2013年年底时，区块产生，这需要算力达到8T/s的设备，即每秒8*10^15次暴力验证，连续工作10分钟。这对于2018年的现在来说的确不算什么，一台矿机，不比两三块砖头大多少，就拥有14T/s的算力，只需要6，7分钟单独就可以挖到。但在当时，8T也是全网千分之一的算力了，需要当时最好的矿机上百台一起工作。而如果这个计算使用一台普通的桌面电脑，需要26年。如果使用一台iphoneX的话，每秒可以做70次计算，那么将需要四百万年。

通过上面的算法我们完整地回顾了比特币区块链的工作量证明算法，如果各位完全理清了其中的思路，也就可以手动实现自己的挖矿程序，或者另外尝试设计一些新的区块链产品了。最艰深的技术，我们希望能够在底层去了解，然而拨开云雾，其实底层的逻辑并不难。

不过比特币里面的技术远不止挖矿算法，加密算法，Script智能合约，各种协议，各种网络，交易的验证，每一个都充满了魔性，进出之间，不由得让人惊叹发明人知识的深度与广度。无论区块链是什么，将会怎样，但是以比特币为第一个大规模应用的区块链技术，已经扩散了开来，整个系统的严密与逻辑的复杂，的确让人着迷。

这一章内容是整个区块链的核心内容，多且杂，而且相对复杂，大家如果有什么疑问或者不理解地欢迎留言提问（前提是有人看）。

下一章：java简单实现区块链。

其他工具

https://hash.online-convert.com/sha256-generatorSHA-256在线验证

https://webbtc.com/ 获取区块的json数据

http://blockexplorer.com/q/getdifficulty查询比特币的当前难度

http://bitcoin.sipa.be/查看难度的变化情况

http://blockexplorer.com/q/getblockcount查询比特币的区块数

https://bitcoin.org/en/developer-reference比特币区块链更详细的讲解（英文）

参考文章：

https://blog.csdn.net/wo541075754/article/details/54632929

https://www.jianshu.com/p/c6ef67755105

http://www.cnblogs.com/zhaoweiwei/p/difficulty.html

https://blog.csdn.net/jason_cuijiahui/article/details/79011118

https://blog.csdn.net/chaiyu2002/article/details/81237971

https://www.8btc.com/article/9688

四、区块链的技术原理—核心算法篇

1、Merkle Tree

2、区块Hash的生成

3，区块的合法性验证

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