簡介

比特幣的底層就是區(qū)塊鏈技術(shù)，區(qū)塊鏈也是因為比特幣而廣為人知的。和其他的區(qū)塊鏈技術(shù)相比，比特幣的區(qū)塊鏈有什么特征呢？作為去區(qū)塊鏈的鼻祖，又有什么與眾不同的特性呢？快來跟我們一起看看吧。

比特幣的網(wǎng)絡

比特幣使用的是P2P（peer-to-peer）網(wǎng)絡，此P2P非彼P2P，這里是點對點的網(wǎng)絡架構(gòu)，而不是人對人的借錢模式。

P2P是指位于同一網(wǎng)絡中的每臺計算機都彼此對等，各個節(jié)點共同提供網(wǎng)絡服務，不存在任何“特殊”節(jié)點。每個網(wǎng)絡節(jié)點以“扁平（flat）”的拓撲結(jié)構(gòu)相互連通。在P2P網(wǎng)絡中不存在任何服務端（server）、中央化的服務、以及層級結(jié)構(gòu)。

傳統(tǒng)的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)是client-server的模式，所有的client都是和server交互獲取信息， 只要server掛掉了，client也就沒有用了。

而在P2P網(wǎng)絡中，沒有server的概念，每個節(jié)點可以作為一個server。對比起來P2P網(wǎng)絡在穩(wěn)定性方面要比C-S架構(gòu)的系統(tǒng)要穩(wěn)定得多。

網(wǎng)絡發(fā)現(xiàn)與同步

既然是P2P網(wǎng)絡，那么問題來了，這個P2P網(wǎng)絡是怎么建立起來的呢？節(jié)點之間是怎么發(fā)現(xiàn)的呢？

有做過P2P下載的同學應該都聽說過種子的概念，這個種子里面保存了其他活躍的節(jié)點的地址。通過下載種子就可以連接對應的節(jié)點。

而每個節(jié)點又保存了最近連接或者活躍的節(jié)點，這樣就形成了龐大的P2P網(wǎng)絡。

同樣的，比特幣的P2P網(wǎng)絡也是這樣的。

新節(jié)點是如何發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡中的對等節(jié)點的呢？雖然比特幣網(wǎng)絡中沒有特殊節(jié)點，但是客戶端會維持一個列表，那里列出了那些長期穩(wěn)定運行的節(jié)點。這樣的節(jié)點被稱為“種子節(jié)點（seed nodes）”

節(jié)點必須持續(xù)進行兩項工作：在失去已有連接時發(fā)現(xiàn)新節(jié)點，并在其他節(jié)點啟動時為其提供幫助。

SPV節(jié)點

我們之前介紹了，在比特幣的世界里既沒有賬戶，也沒有余額，只有分散到區(qū)塊鏈里的UTXO（Unspent Transaction Outputs）。

那么如果想要驗證交易的話，需要從歷史的交易中查找所有的和該交易有關的交易，從而進行完整，全面的驗證。

這樣做的問題就是，如果下載所有的歷史記錄，那么需要上百G的硬盤空間，這對于手機或者其他輕量級的客戶端是無法想象的。

于是SPV出現(xiàn)了。SPV的全稱是Simplified payment verification，叫做簡單認證支付。

SPV保存的不是整個區(qū)塊鏈，而是區(qū)塊鏈的頭部，因為每個區(qū)塊鏈頭只有80字節(jié)，所以即使把所有的區(qū)塊頭都下載保存起來也不會很大。

區(qū)塊鏈頭

區(qū)塊頭由三組區(qū)塊元數(shù)據(jù)組成。首先是一組引用父區(qū)塊哈希值的數(shù)據(jù)，這組元數(shù)據(jù)用于將該區(qū)塊與區(qū)塊鏈中前一區(qū)塊相連接。

第二組元數(shù)據(jù)，即難度、時間戳和nonce，與挖礦競爭相關。

第三組元數(shù)據(jù)是merkle樹根（一種用來有效地總結(jié)區(qū)塊中所有交易的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)）。

Nonce、難度目標和時間戳會用于挖礦過程，Merkle根用來索引和組織該區(qū)塊所有的交易信息。

上圖是一個區(qū)塊鏈頭組成的鏈。

Merkle Tree

Merkle Tree，是一種樹（數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中所說的樹），網(wǎng)上大都稱為Merkle Hash Tree,這是因為 它所構(gòu)造的Merkle Tree的所有節(jié)點都是Hash值。Merkle Tree具有以下特點：

1.  它是一種樹，可以是二叉樹，也可以多叉樹，無論是幾叉樹，它都具有樹結(jié)構(gòu)的所有特點；
2.  Merkle樹的葉子節(jié)點上的value，是由你指定的，這主要看你的設計了，如Merkle Hash Tree會將數(shù)據(jù)的Hash值作為葉子節(jié)點的值；
3.  非葉子節(jié)點的value是根據(jù)它下面所有的葉子節(jié)點值，然后按照一定的算法計算而得出的。如Merkle Hash Tree的非葉子節(jié)點value的計算方法是將該節(jié)點的所有子節(jié)點進行組合，然后對組合結(jié)果進行hash計算所得出的hash value。

有了Merkle Tree，我們只需要知道和要驗證的交易相關的其他Merkle Tree中的信息，就可以計算出整個Merkle Tree的值，這樣就可以直接使用頭部信息進行驗證了。這就是SPV的原理。

比特幣中的區(qū)塊鏈

區(qū)塊鏈是由包含交易信息的區(qū)塊從后向前有序鏈接起來的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。它可以被存儲為flat file（一種包含沒有相對關系記錄的文件），或是存儲在一個簡單數(shù)據(jù)庫中。

比特幣核心客戶端使用Google的LevelDB數(shù)據(jù)庫存儲區(qū)塊鏈元數(shù)據(jù)。

它由一個包含元數(shù)據(jù)的區(qū)塊頭和緊跟其后的構(gòu)成區(qū)塊主體的一長串交易組成。區(qū)塊頭是80字節(jié)，而平均每個交易至少是250字節(jié)，而且平均每個區(qū)塊至少包含超過500個交易。

區(qū)塊標識符

那怎么表示一個區(qū)塊呢？我們使用區(qū)塊標志符。

區(qū)塊主標識符是它的加密哈希值，一個通過SHA256算法對區(qū)塊頭進行二次哈希計算而得到的數(shù)字指紋。產(chǎn)生的32字節(jié)哈希值被稱為區(qū)塊哈希值，但是更準確的名稱是：區(qū)塊頭哈希值，因為只有區(qū)塊頭被用于計算。

第二種識別區(qū)塊的方式是通過該區(qū)塊在區(qū)塊鏈中的位置，即“區(qū)塊高度（block height）”。第一個區(qū)塊，其區(qū)塊高度為0

和區(qū)塊哈希值不同的是，區(qū)塊高度并不是唯一的標識符。雖然一個單一的區(qū)塊總是會有一個明確的、固定的區(qū)塊高度，但反過來卻并不成立，一個區(qū)塊高度并不總是識別一個單一的區(qū)塊。兩個或兩個以上的區(qū)塊可能有相同的區(qū)塊高度，在區(qū)塊鏈里爭奪同一位置。

創(chuàng)世區(qū)塊

區(qū)塊鏈里的第一個區(qū)塊創(chuàng)建于2009年，被稱為創(chuàng)世區(qū)塊。它是區(qū)塊鏈里面所有區(qū)塊的共同祖先，這意味著你從任一區(qū)塊，循鏈向后回溯，最終都將到達創(chuàng)世區(qū)塊。

因為創(chuàng)世區(qū)塊被編入到比特幣客戶端軟件里，所以每一個節(jié)點都始于至少包含一個區(qū)塊的區(qū)塊鏈，這能確保創(chuàng)世區(qū)塊不會被改變。每一個節(jié)點都“知道”創(chuàng)世區(qū)塊的哈希值、結(jié)構(gòu)、被創(chuàng)建的時間和里面的一個交易。因此，每個節(jié)點都把該區(qū)塊作為區(qū)塊鏈的首區(qū)塊，從而構(gòu)建了一個安全的、可信的區(qū)塊鏈的根。

創(chuàng)世區(qū)塊的哈希值為：

0000000000 19d6689c085ae165831e934ff763ae46a2a6c172b3f1b60a8ce26f

創(chuàng)世區(qū)塊包含一個隱藏的信息。在其Coinbase交易的輸入中包含這樣一句話“The Times 03/Jan/2009 Chancellor on brink of second bailout forbanks.”這句話是泰晤士報當天的頭版文章標題，引用這句話，既是對該區(qū)塊產(chǎn)生時間的說明，也可視為半開玩笑地提醒人們一個獨立的貨幣制度的重要性，同時告訴人們隨著比特幣的發(fā)展，一場前所未有的世界性貨幣革命將要發(fā)生。該消息是由比特幣的創(chuàng)立者中本聰嵌入創(chuàng)世區(qū)塊中。

coinbase的值是：04ffff001d0104455468652054696d65732030332f4a616e2f32303039204368616e63656c6c6f72206f6e206272696e6b206f66207365636f6e64206261696c6f757420666f722062616e6b73

解碼方法如下:

在python shell下：

"04ffff001d0104455468652054696d65732030332f4a616e2f32303039204368616e63656c6c6f72206f6e206272696e6b206f66207365636f6e64206261696c6f757420666f722062616e6b73".decode('hex')

輸出：

'x04xffxffx00x1dx01x04EThe Times 03/Jan/2009 Chancellor on brink of second bailout for banks'

總結(jié)

本文介紹了比特幣的網(wǎng)絡和比特幣中的區(qū)塊鏈的相關概念，希望大家能夠喜歡。