• 介绍
• 区块结构
  • 头结构
  • 区块结构
  • 创世区块
  • 分叉
• Proof-of-work(工作量证明)
  • 邮件 Header
  • Bitcoin
• REF

介绍

区块链是由一串使用密码学方法产生的数据块组成的，每一个区块都包含了上一个区块的哈希值(hash),从创始区块(genesis block)开始连接到当前区块，形成块链(类似数据结构中的链表).每一个区块都确保按照时间顺序在上一个区块之后产生，否则前一个区块的哈希值是未知的。

其优势在于:

• 完全分布式的，无中心节点(单点故障)
• 任何节点都可以创建交易。在经过一段时间的确认之后，就可以合理地确认该交易是否有效。
• 修改交易记录的成本非常高

区块链也是比特币等技术的基础。它也是一种非常重要的新思想，促使人们对现有的网络,社会,经济等进行重新思考。

区块结构

头结构

区块结构

创世区块

比特币区块链的第一个区块，创建于 2009 年，我们称之为创世区块。它是比特币区块链里所有区块的共同祖先，这意味着你从任一区块，循链向后回溯，最终都将到达创世区块。每一个节点都“知道”创世区块的哈希值、结构、被创建的时间和里面的一个交易。因此，每个节点都把该区块作为区块链的首区块，从而构建了一个安全的、可信的区块链的根。

创世区块的哈希值为

分叉

对于区块链中的任意一个区块，到达创世块的路径只有一条。然而，从创世块开始，会有分叉的情况出现。当创建两个区块的时间差只有几秒时，经常会创建出一个分叉区块。这时候不同的客户端可能接收到的区块不一样,然后各自在这个基础上继续拓展新的区块,直到有一个较长的出现,则作为主链条.其他的视为无效.

如上图所示，绿色区块为创世区块。黑色区块为主区块(主链条),紫色的称为 orphan blocks. 主链条的累积工作量是最大的，并不总是区块长度(高度)最长的。

Proof-of-work(工作量证明)

区块链从第一个区块开始，依赖于旷工们去拓展链条的长度。矿工们都进行一些数学计算，谁先算出一个合法的目标数值就可以宣称自己挖到了一个新的 Block.这种检验的方式可以成为“工作量证明"（以下简称为 POW).POW 在 blockchain 之前就已存在，应用于垃圾邮件过滤以及防范拒绝服务攻击扥等。其基本原理都是相同的，但不同的系统会应用不同的 hash 算法以及进行不同长度的难度调整。下面以垃圾邮件的过滤为例来简要说明一下:

邮件 Header

基本原理: 发送邮件的人需要在邮件的 Header 里加一条，里面是一个字符串，字符串里包含了发送的时间，接受者邮件，以及一个随机数等。这个字符串的哈希值必须符合一定的条件(前置 N 位为 0).有了这样的要求，发送者必须经过暴力破解方式来尝试出一个合法的值,需要消耗一定的计算量。对于接受者来说，它可以很快地检验出来这个字符串是否满足要求(hash 函数的单项特性).对于前者来说，增加 N 之后计算难度会成指数级增长，而对于后者来说校验时间是固定的。对于普通的邮件接收来说，这两个时间都是可以忽略不计(通常在 s 级之内)的。 但对于垃圾邮件的发送者来说，因为他需要发送大量的邮件，这个时间累积起来就很可观了。所以可以有效地进行垃圾邮件的过滤。

Header 格式如下

X-Hashcash: 1:20:1303030600:adam@cypherspace.org::McMybZIhxKXu57jd:ckvi

• 1 : Hashcash 版本
• 20 : hash 值的前置 0 的个数
• 1303030600 : 发送邮件的时间
• adam@cypherspace.org: 接收者
• （ext): 扩展(Version 1 里忽略)
• McMybZIhxKXu57jd : 随机数的 base64
• ckvi: 计数器的 base64

上面包含了接受者，所以对不于不同的邮件接收人，哈希值都要重新计算。

对于发送者来说:

1. Header 中包含了接受者，所以对不于不同的邮件接收人，哈希值都要重新计算。
2. 首先设一个初始化的 Header(包含一个初始的随机数),然后开始计算 160 位的SHA-1 hash 值。如果前 20 位为 0,那么成功生成一个合法的 Header.如果不成功，增加计数器继续计算。平均下来每次大概需要2^20次计算能得到一个合法的值。

对于接收者来说:

1. 根据 Header 内容计算哈希值,判断前二十位是否为 0.这是有一个耗时固定的操作,而且远比发送者所耗资源要少
2. 检查发送时间及邮件是否正确
3. 将 hash 值入库,如果已经存在,则视为非法

在 Linux/Mac 上可以用openssl的命令来进行一个简单地校验:

1
2

echo -n 1:52:380119:calvin@comics.net:::9B760005E92F0DAE | openssl sha1
0000000000000756af69e2ffbdb930261873cd71

(注意 52 是要求二进制的 0,上面的结果是 13 位 10 进制的)

Bitcoin

挖矿的流程与上面非常类似,只是具体的变量不同. 挖矿的公式可以概括为如下所示:

SHA256(SHA256(version + prev_hash + merkle_root + ntime + nbits + x )) < TARGET

目的就是找到一个合适的 x(0~2^32)

• SHA256: hash 算法
• versio: block 的版本
• prev_hash: 上一个 block 的 hash 值
• merkle_root: 需要写入的交易记录的 hash 树的值
• ntime: 更新时间
• nbits: 当前难度

TARGET 越小，解出 x 的难度就越大(类比于前面的邮件的例子就是前置的 0 越多,计算的次数越多).

一旦你找到了 x，你就可以广播一个新的 block，其他客户端会验证你的 block 是否合法。如果你的 block 被接受，由于每个 block 中的第一笔交易必须是将新产生 25 个比特币发送到某个地址(public key)，当然你会把这个地址设为你所拥有的地址来得到这 25 个比特币。

REF

1. Wiki
2. Hashcash