一個(gè)區(qū)塊該是怎樣的樣子

上周的分享中，最后我們講到了比特幣是如何生成的。我們現(xiàn)在知道這里有一個(gè)叫做挖礦的過程。這是一個(gè)通過比特幣特定算法不斷產(chǎn)生新的正確的Block并延續(xù)Block Chain的過程。我們都知道區(qū)塊鏈之所以叫區(qū)塊鏈，是因?yàn)樗梢淮畢^(qū)塊組成。那么，一個(gè)區(qū)塊，它又是由什么組成的呢？

今天，請(qǐng)跟隨我的腳步，讓我們一起來領(lǐng)略一番。

區(qū)塊由兩部分組成，分別是區(qū)塊頭（Header）和區(qū)塊體（Body），而區(qū)塊頭又包括了父哈希（Hash Used，也就是遷移區(qū)塊的哈希）、時(shí)間戳、難度、目標(biāo)數(shù)（The Target）、隨機(jī)數(shù)（The Nonce）、默克爾樹（Merkle Root），區(qū)塊體則包含了具體的交易數(shù)據(jù)和交易數(shù)量，其決定了區(qū)塊頭中的Merkle根。

下面我們來看一個(gè)區(qū)塊。根據(jù)Blockchain.info 提供的信息，第590357個(gè)區(qū)塊長(zhǎng)下面這樣。

我們可以看到，這個(gè)區(qū)塊包含2680筆交易，時(shí)間戳為2019年8月16日7點(diǎn)2分15秒，由F2Pool進(jìn)行記賬。區(qū)塊大小為1122.474kB，隨機(jī)數(shù)nounce為3271780214，礦工得到了12.5BTC的獎(jiǎng)勵(lì)。右邊一欄的前兩行顯示了這個(gè)區(qū)塊的Hash值以及上一區(qū)塊的Hash值，第三行要求下一個(gè)區(qū)塊的Hash不得大于00000000000000000004d3e0a106e318df54c3c478dd48b70f7101b88827a81d，最后一行則顯示了此區(qū)塊交易記錄的Merkle根。

到這里，區(qū)塊鏈的結(jié)構(gòu)已經(jīng)有個(gè)基礎(chǔ)模型了。

在區(qū)塊頭中，父哈希、時(shí)間戳都還比較容易理解，都是字面意思，可是難度、目標(biāo)數(shù)、隨機(jī)數(shù)以及默克爾樹可能就需要適當(dāng)解釋一下了。

1、難度

中本聰設(shè)計(jì)比特幣時(shí)，為了使得比特幣出塊時(shí)間能理想的恒定在 10 分鐘左右， 從而加入了挖礦難度調(diào)整機(jī)制。比特幣協(xié)議規(guī)定每隔 2016 個(gè)區(qū)塊，將根據(jù)過去最近 2016 個(gè)區(qū)塊出塊總時(shí)間調(diào)整，自動(dòng)調(diào)整下一個(gè) 2016 個(gè)區(qū)塊的挖礦難度。理想情況下 2016 個(gè)塊需要兩周（2016*10s）時(shí)間，如果實(shí)際用時(shí)不到兩周則增加難度，如果超過兩周就降低難度。

那么，難度是如何計(jì)算出來的呢？我們看看計(jì)算公式

難度值（difficulty） = 最大目標(biāo)值（maximum_target） / 最小目標(biāo)值（current_target）

（target是256位的大數(shù)字）

2、目標(biāo)數(shù)

目標(biāo)值是指挖礦時(shí)，數(shù)學(xué)難題的哈希值的閩值。礦工只能通過在該目標(biāo)值范圍內(nèi)求得正確的隨機(jī)數(shù)以得到該區(qū)塊的記賬權(quán)及區(qū)塊獎(jiǎng)勵(lì)。當(dāng)全網(wǎng)算力提升時(shí)，該目標(biāo)值就會(huì)根據(jù)難度調(diào)整而降低并增加求數(shù)學(xué)解的難度。

【算力】在通過「挖礦」得到比特幣的過程中，一個(gè)節(jié)點(diǎn)每秒鐘能做多少次計(jì)算，就是算力的代表。單位寫成 hash/s， 簡(jiǎn)寫為 h/s。1 h/s 表示 1 秒鐘能做 1 次 hash 碰撞。挖礦的每秒算力是以 Ghash/s 或 Thash/s 為單位計(jì)，礦機(jī)的 GHash （或 THash）值越高，能挖到的 BTC 就越多。

1 Khash/s = 1000 hash/s

1 Mhash/s = 1000 Khash/s

1 Ghash/s = 1000 Mhash/s

1 Shash/s = 1000 Ghash/s

1 PHash/s = 1000 Shash/s

3、隨機(jī)數(shù)

在挖礦中是一種用于挖掘加密貨幣的自動(dòng)生成的、毫無意義的隨機(jī)數(shù)，在解決數(shù)學(xué)難題的問題中被使用一次之后，如果不能解決該難題則該隨機(jī)數(shù)就會(huì)被拒絕。而一個(gè)新的Nonce也會(huì)被測(cè)試出來并且直到問題解決，當(dāng)問題解決時(shí)礦工就會(huì)得到加密貨幣作為獎(jiǎng)勵(lì)。

在區(qū)塊結(jié)構(gòu)中，Nonce 是基于工作量證明所設(shè)計(jì)的隨機(jī)數(shù)字，通過難度調(diào)整來增加或減少其計(jì)算時(shí)間。

礦工或礦池在使用計(jì)算軟件的（即礦機(jī)）情況下可以每秒產(chǎn)生數(shù)百萬次的哈希計(jì)算，直到找到正確的哈希值。隨機(jī)數(shù)是只能用一次的密碼數(shù)字。

如果一個(gè)礦工產(chǎn)生一個(gè)大于目標(biāo)數(shù)的哈希值，那么他們需要選擇新的隨機(jī)數(shù)，重新進(jìn)行計(jì)算。新的隨機(jī)數(shù)會(huì)得到新的散列。直到找到小于或等于目標(biāo)數(shù)的哈希值。

4、默克爾樹（Merkle Tree）

Merkle Tree，是 header 部分的哈希值，代表了區(qū)塊 body 部分所有的交易。Merkle Tree的葉子是數(shù)據(jù)塊的hash值。非葉節(jié)點(diǎn)是其對(duì)應(yīng)子節(jié)點(diǎn)串聯(lián)字符串的hash。

在第一次分享時(shí)，我們就講到，通過哈希函數(shù)，任意長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)最后都會(huì)輸出一段固定長(zhǎng)度的字符。

1）Hash List

在P2P網(wǎng)絡(luò)中作數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)候，會(huì)同時(shí)從多個(gè)機(jī)器上下載數(shù)據(jù)，而且很多機(jī)器可以認(rèn)為是不穩(wěn)定或者不可信的。為了校驗(yàn)數(shù)據(jù)的完整性，更好的辦法是把大的文件分割成小的數(shù)據(jù)塊。這樣的好處是，如果小塊數(shù)據(jù)在傳輸過程中損壞了，那么只要重新下載這一快數(shù)據(jù)就行了，不用重新下載整個(gè)文件。

現(xiàn)在問題來了，怎么確定剛剛說的小數(shù)據(jù)塊沒有損壞呢？

答案就是為每個(gè)數(shù)據(jù)塊做Hash。BT下載的時(shí)候，在下載到真正數(shù)據(jù)之前，我們會(huì)先下載一個(gè)Hash列表。

那么問題又來了，怎么確定這個(gè)Hash列表本身是正確的？

答案是把每個(gè)小塊數(shù)據(jù)的Hash值拼到一起，然后對(duì)這個(gè)長(zhǎng)字符串在作一次Hash運(yùn)算，這樣就得到Hash列表的根Hash（Top Hash or Root Hash）。下載數(shù)據(jù)的時(shí)候，首先從可信的數(shù)據(jù)源得到正確的根Hash，就可以用它來校驗(yàn)Hash列表了，然后通過校驗(yàn)后的Hash列表校驗(yàn)數(shù)據(jù)塊。

所以剛剛的過程就是把很多很多小數(shù)據(jù)塊做Hash，得到很多很多哈希值，我們?cè)侔堰@些哈希值拼在一起形成一個(gè)長(zhǎng)字符串，再做一次Hash，得到了Hash列表的根Hash。

2）Merkle Tree

如果把Hash List當(dāng)作只有一個(gè)樹干的小樹苗的話，Merkle Tree更像是已經(jīng)長(zhǎng)出了幾個(gè)樹干的大樹。同樣的，在最底層，和哈希列表一樣，我們把數(shù)據(jù)分成小的數(shù)據(jù)塊，有相應(yīng)地哈希和它對(duì)應(yīng)。但稍有不同的是，這些哈希不是直接拼成一個(gè)長(zhǎng)字符串運(yùn)算根哈希，而是相鄰的兩個(gè)哈希合并成一個(gè)字符串，然后運(yùn)算這個(gè)字符串的哈希。

比特幣區(qū)塊鏈系統(tǒng)中的采用的Merkle Tree，它的作用主要是快速歸納和校驗(yàn)區(qū)塊數(shù)據(jù)的完整性，它會(huì)將區(qū)塊鏈中的數(shù)據(jù)分組進(jìn)行哈希運(yùn)算，向上不斷遞歸運(yùn)算產(chǎn)生新的哈希節(jié)點(diǎn)，最終只剩下一個(gè)Merkle根存入?yún)^(qū)塊頭中。

在區(qū)塊鏈系統(tǒng)使用Merkle Tree有諸多優(yōu)點(diǎn)。

首先，極大地提高了區(qū)塊鏈的運(yùn)行效率和可擴(kuò)展性，區(qū)塊頭只需包含根哈希值而不必封裝所有底層數(shù)據(jù)；其次，Merkle樹可支持“簡(jiǎn)化支付驗(yàn)證協(xié)議”（SPV），即在不運(yùn)行完整區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的情況下，也能夠?qū)灰讛?shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)。

來源： SCRYINFO