区块链进阶原理之区块结构构成

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。

本文来源：Xparallellines
原文标题：区块链进阶原理之区块结构构成

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编译者/作者：Xparallellines

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