Bitcoin 區塊和交易數據結構

Kaede 發布于2019-06-27 18:54 / 1231人閱讀

摘要：區塊中存放著交易，區塊按照高度有序鏈接起來的這種數據結構被稱為區塊鏈。區塊頭區塊頭的長度是字節，將區塊頭數據進行兩次運算將得到區塊哈希。比特幣白皮書中定義的交易結構和新的隔離見證交易結構。

區塊鏈是一種賬本數據庫，分布式，數據存儲的每個節點都會同步復制整個賬本，信息透明難以篡改。

區塊中存放著交易，區塊按照高度有序鏈接起來的這種數據結構被稱為區塊鏈。每個區塊都指向前一個區塊，一個區塊由區塊頭和交易組成。

區塊

區塊由一個包含元數據的區塊頭和緊跟其后的構成區塊主體的一長串交易列表組成。區塊結構如圖：

區塊頭中數據有：

區塊版本

前個區塊哈希

Merkle Root 哈希

時間戳

Bits 難度

Nonce “挖礦” 隨機數

Coinbase 交易：每個區塊中的第一條交易都是 Coinbase 交易，用于獎勵 “礦工” 將交易打包到區塊。獎勵分為兩部分，一是區塊獎勵，一是區塊中除 Coinbase 交易外其它交易手續費總和。

區塊頭

區塊頭的長度是80字節，將區塊頭數據進行兩次 Sha256 運算將得到區塊哈希。

區塊頭結構如下：

Field	Size	Data
Version	4 bytes	Little-endian ?
Previous Block Hash	32 bytes	Little-endian ?
MerkleRoot	32 bytes	Little-endian ?
Timestamp	4 bytes	Little-endian ?
Bits (Difficulty Target)	4 bytes	Little-endian ?
Nonce	4 bytes	Little-endian ?

Merkle Root

Merkle Tree 是一種哈希二叉樹，用于歸納一個區塊中的所有交易，同時生成整個交易集合的數字簽名，且提供了一種校驗區塊是否存在某交易的高效途徑。

區塊鏈中的每個區塊都包含了產生于該區塊的所有交易，且以Merkle樹表示。那么如何獲得它呢？

從區塊交易列表中獲取每對Txid，并對它們進行兩次 Sha256 運算，得到哈希。

如果為奇數，則復制一份湊成偶數再進行兩次 Sha256 運算，得到哈希。

遞歸1、2，直到最終獲得一個哈希，它就是Merkle Root。

為什么使用 Merkle Root 方式呢，為什么不對區塊內所以交易一次性進行哈希呢，那樣不是更快么？

使用 Merkle Root 原因有二：

完整性驗證，任何一個節點的哈希發生變化，都會導致最終的 Root 節點哈希發生變化。這一特性也可用于快速定位問題節點。

零知識證明，如下圖，16 條交易的節點能夠通過生成一條僅有 4 個 32 字節哈希值長度(總128字節)的 Merkle 路徑，來證明區塊中存在一筆交易 K，該路徑有4個哈希值 H_L、H_IJ、H_MNOP 和 H_ABCDEFGH。由這4個哈希值產生的認證路徑，再通過計算另外四對哈希值 H_KL、H_IJKL、H_IJKLMNOP 和 Merkle Root，任何節點都能證明 H_K 包含在Merkle Root。

關于 Merkle 路徑，我們來看一張圖：

交易數量	區塊大小	路徑數量	路徑大小
16	4 KB	4	128 bytes
512	128 KB	9	288 bytes
2048	512 KB	11	352 bytes
4096	1 MB	12	384 bytes
65,535	16 MB	16	512 bytes

即使增長到交易數量為 262144，區塊大小到 65M，路徑數也才 18。所以使用 Merkle Root 非常高效，如果是所有交易進行一次哈希，雖然獲得 Hash 是快些，但對于要驗證問題交易或節點，將是個災難。

Bits 和 Nonce

Bits 是挖礦目標難度 Target 的緊湊格式。

Nonce 是挖礦遍歷時的隨機數。

關于 “挖礦” 的具體內容，我會多帶帶總結一篇，感興趣可以關注后續文章。
這里有一個在線的模擬挖礦，各種數據顯示都很直觀，適合了解挖礦內部運作：點我前往模擬挖礦

交易

目前存在兩種交易結構。比特幣白皮書中定義的交易結構和新的隔離見證交易結構。

BIP 141 定義一種新的交易結構，我們稱之為 “Segregated Witness (隔離見證)” 交易。舊交易結構簽名數據放在交易輸入里，隔離見證交易則將簽名數據 “分離” 出來，放在交易的 Locktime 之前。

交易結構：

[nVersion] [n] [tx inputs] [n] [tx outputs] [nLockTime]
    |       |               |                    |
 4 bytes  varint          varint             4 bytes

隔離見證(Segregated Witness)交易結構：

[nVersion] [marker] [flag][n] [tx inputs] [n] [tx outputs] [witness][nLockTime]
    |           /     /  |               |                     /     |
 4 bytes     0x00    0x01 varint         varint            scriptSig  4 bytes

Field	Size	Data
Version	4 bytes	Little-endian ?
* Marker	1 bytes	0x00
* Flag	1 bytes	0x01
Input Counter	1–9 bytes	VarInt
Inputs	Variable
Output Counter	1–9 bytes	VarInt
Outputs	Variable
* Witness	Variable
Locktime	4 bytes	Little-endian ?

* 為 Segregated Witness 交易字段。

我們解析一條 Segregated Witness (P2SH-P2WPKH)交易：

如果你對 P2SH-P2WPKH 交易感興趣可以查看我之前寫的一篇介紹 Segregated Witness 的文章。

{
  "txid": "af0c4cdd2537ae367b0e03db0cd795fa37543bd672c9234b2c307009a9a8108f",
  "hash": "ff300093626745127aad29e8628ee4606b87cb660f7ff63817dd4857cd15a175",
  "version": 2,
  "size": 248,
  "vsize": 166,
  "locktime": 0,
  "vin": [],
  "vout": []
}

HEX 數據：

Inputs

交易輸入結構：

Field	Size	Data
TXID	32 bytes	Little-endian ?
VOUT	4 bytes	Little-endian ?
ScriptSig Size	1–9 bytes	VarInt
ScriptSig	Variable
Sequence	4 bytes	Little-endian ?

輸入JSON：

{
  "txid": "6635d3f451478f0e1f88692d5cfb9194f133fbb314cb87fa9483f89bd296284b",
  "vout": 0,
  "scriptSig": {
    "asm": "0014db75523757a256579a197746568f331103417b85",
    "hex": "160014db75523757a256579a197746568f331103417b85"
  },
  "txinwitness": [
    "3045022100c8b2a6027f939bb964e395c94cd6f1d8ff9d1f406e41975b2ac979a6007c3ac4022019953dfe376d0152152955e02d72e7a7b9a61f8d5700642c97a2dc4ba13628b801",
    "02983f3687310bcfe2ad1ad55d011112c3f8d659950c10cab9ff43ae34d7b6280e"
  ],
  "sequence": 4294967293
}

outputs

交易輸出結構：

Field	Size	Data
Value	8 bytes	Little-endian ?
ScriptPubKey Size	1–9 bytes	VarInt
ScriptPubKey	Variable

輸出JSON：

{
  "value": 1.00000000,
  "n": 0,
  "scriptPubKey": {
    "asm": "OP_HASH160 2228cecac3c1fa3143ba2ac7d2525d8b9b05c87b OP_EQUAL",
    "hex": "a9142228cecac3c1fa3143ba2ac7d2525d8b9b05c87b87",
    "reqSigs": 1,
    "type": "scripthash",
    "addresses": [
      "2MvMqrBRct4F2zuyrpgrq2qqq61VZc1znPB"
    ]
  }
},
{
  "value": 48.99996680,
  "n": 1,
  "scriptPubKey": {
    "asm": "OP_HASH160 22e2f5339cdf0778935e8127dc51e4a0ae62d162 OP_EQUAL",
    "hex": "a91422e2f5339cdf0778935e8127dc51e4a0ae62d16287",
    "reqSigs": 1,
    "type": "scripthash",
    "addresses": [
      "2MvRgr7SeyTVutrUaJdmZ5ETVdoPp5eWoj5"
    ]
  }
}

VarInt

比特幣使用可變字節表示腳本長度，當一個字節不夠表示時，如下規律：

Size	Example	Description
<= 0xfc	0x12	1 個字節
<= 0xffff	0xfd1234	前綴是fd，小端表示接下來的2個字節
<= 0xffffffff	0xfe12345678	前綴是fe，小端表示接下來的4個字節
<= 0xffffffffffffffff	0xff1234567890abcdef	前綴是ff，小端表示接下來的8個字節

如：0x48，沒有 fd、fe、ff 前綴，所以我們知道它是2 bytes表示的。

VarInt: 0x48
        = 72 bytes

如：fd2606，因為是 fd 前綴，我們讀取fd之后的 4 bytes，反轉小端再轉換為十進制表示。

VarInt: 0xfd2606
        = 0x2602    (next 2 bytes)
        = 0x0226    (Little-Endian)
        = 550 bytes

Little-Endian

小端 (Little-endian) 字節序。如：0x12345678

大端類似于十六進制字節從左到右的閱讀順序。小端最低位字節是 0x78 存儲在最低的內存地址處，后面的字節依次往后存。

Big-Endian:    |12|34|56|78|
Little-Endian: |78|56|34|12|

比特幣在很多地方數據都是用小端序表示。

參考

https://github.com/bitcoinboo...

http://learnmeabitcoin.com/gl...

http://yogh.io

http://royalforkblog.github.i...

GPU云服務器云服務器區塊鏈交易全球區塊鏈交易區塊鏈量化交易區塊鏈交易軟件

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