最近区块链热度又起来了, 但多数人的理解也仅限于“区块链”这个词，或者一些高大上的概念，细究起来仍是不明所以。为搞懂这一概念，我查阅了一些文章和代码，试图从一些代码片段和底层数据结构上，来深入理解下区块链。
区块链，英文为blockchain，其实是两个词，block和chain，分别是方块和链条的意思, 于是中文就叫做了区块链。我个人对于区块链的理解是： 区块链是一个个区块构成的链表，而区块是一些交易的集合。
先来看下什么是区块，以 0000000000000bae09a7a393a8acded75aa67e46cb81f7acaa5ad94f9eacd103 这个块为例，其基本结构如下。
{
"ver":1,
"prev_block":"00000000000007d0f98d9edca880a6c124e25095712df8952e0439ac7409738a",
"mrkl_root":"935aa0ed2e29a4b81e0c995c39e06995ecce7ddbebb26ed32d550a72e8200bf5",
"time":1322131230,
"bits":437129626,
"nonce":2964215930,
"tx":[--Array of Transactions--]
}其中各字段的含义：
- ver, 版本
- prev_block, 上一个块的哈希。学过C的应该知道，这表明区块链的数据结构是链表，并且是个前向列表。从任意一个节点的位置可以一直往前遍历直到表头，这也是区块链号称可以追根溯源的原因。
- mrkl_root, 默克尔树根，为交易列表的哈希。
- time, 区块生成的时间，unix时间戳
- bits, 难度
- nonce, 随机数，和难度一起定义了区块链链表增长的规则，即设置了一个规则，只有满足条件的块才能被添加到链上去。
- tx, 交易列表
所以，我们可以这么理解一个区块： 区块就是一些交易数据的集合，并且区块头必须满足一定的规则。
(注: mrkl_root, bits, nonce 字段的介绍见后文)
再来看下什么是交易，以b6f6991d03df0e2e04dafffcd6bc418aac66049e2cd74b80f14ac86db1e3f0da这笔交易为例
{
"inputs": [
{
"txid": ,
"vout": 2,
"scriptSig": "48304502210098a2851420e4daba656fd79cb60cb565bd7218b6b117fda9a512ffbf17f8f178022005c61f31fef3ce3f906eb672e05b65f506045a65a80431b5eaf28e0999266993014104f0f86fa57c424deb160d0fc7693f13fce5ed6542c29483c51953e4fa87ebf247487ed79b1ddcf3de66b182217fcaf3fcef3fcb44737eb93b1fcb8927ebecea26"
}
],
"out": [
{
"value": "98000000",
"scriptPubKey": "76a91429d6a3540acfa0a950bef2bfdc75cd51c24390fd88ac"
},
{
"value": "2000000",
"scriptPubKey": "76a91417b5038a413f5c5ee288caa64cfab35a0c01914e88ac"
}
]
}这里的数据结构，和常规的交易很不一样。常规的中Alice向Bob转账了200，表现形式应该是这样的
{
"from": "Alice",
"to": "Bob",
"amount": 200
}而这里完全没有类似的字段。
现实生活中的交易采用的是账户模型，比如Alice、Bob账户上起初余额分别是500,100, Alice向Bob转账200，即在数据库里起个事务,把Alice账户扣除200,同时把Bob账户增加200，一笔交易就算完成了。而BTC采用了完全不同的模型，即UTXO(unspent transaction outputs)模型，称为"未花费的交易输出"。要理解这一概念，首先得先理解交易输出和交易输入。
交易输出包含两部分:
- value, 数量，单位聪(satoshis), 1BTC = 10^8 satoshis
- scriptPubKey, 锁定脚本。以
76a91429d6a3540acfa0a950bef2bfdc75cd51c24390fd88ac为例，它实际上是
OP_DUP OP_HASH160 29d6a3540acfa0a950bef2bfdc75cd51c24390fd OP_EQUALVERIFY OP_CHECKSIG
其中十六进制部分再处理下就是地址 14pDqB95GWLWCjFxM4t96H2kXH7QMKSsgG(当然这里涉及到公钥和BTC地址的转换关系，后文会介绍)，剩余的部分是定义的一些运算，简单得理解为加减乘除就好了。
简而言之，交易输出就是在地址上放一定数量的BTC和锁定脚本， 需要解锁脚本才能使用，形象地可以理解为在房间里放了东西，并且上了把锁。
交易输入包含三部分:
- txid: 引用的交易id.
- vout: 引用交易的输出索引。如一笔交易产生了5个交易输出，这里vout可以是0,1,2,3,4.
- scriptSig: 解锁脚本，包含一个签名和公钥，和锁定脚本拼起来会是如下形式
<Signature> <PublicKey> | DUP HASH160 <PubKeyHash> EQUALVERIFY CHECKSIG
BTC里面的支付称为对公钥哈希的付款(P2PKH, Pay-to-Public-Key-Hash),原因就在于此。
交易A的输出里会放一个公钥的哈希，掌握私钥的人可以引用交易A, 并在交易B的输入里用私钥对交易B签名，同时提供要转出的地址。而上面的脚本拼起来其实做了两件事，一是先对输入的公钥进行哈希，看是否和输出的一致，相当于先验证你要转账的人有没有填错，二是用公钥验证签名对不对，即再验证使用者是否拥有使用权。
总而言之，交易输入即引用交易输出，并签名使用。而所谓的交易，就是这样一个打开一个房间，取走东西，放入另一个房间的过程。
交易输入和交易输出会存在一个鸡生蛋还是蛋生鸡的问题，没有输入显然就没有输出，而输出又需要引用输入。
事实上是，每个区块的第一个是个创币交易(coinbase)，只有输出没有输入，也就是不需要解锁脚本，该字段会被coinbase数据代替。如创世块中，中本聪就填入了"The Times 03/Jan/ 2009 Chancellor on brink of second bailout for banks".创币交易的数量是被给定的规则限定的，经常提到的BTC产量每4年减半，就是指创币交易的数量，而输出会被矿工光明正大且合法地填上自己的地址。由创币交易就可以衍生其他交易，保证链条不断增长下去。
通常一笔普通交易会有两个去处，一个是待转账的地址，一个是自己的地址，因为一笔交易的输入之和不会恰好等于输出，于是会存在一个指向自己的找零。输入之和是大于输出之和的，中间的差值会被系统奖励给矿工，也就是交易手续费。手续费高的区块会优先被打包成区块得到确认，并且连接到链上去。
新创建的交易会进入内存池，等待矿工打包成区块。而所谓的矿工, 就是打包交易的节点。挖矿主要和区块头的哈希有关。
区块头包含六个字段,Version、Previous Block Hash、 Merkle Root、 Timestamp、 Target、 Nonce。其中前五个字段可以看做是相对固定, 而最后的Nonce值则是矿工要完成的工作。
Merkle 树是一种哈希二叉树，假设区块里存在4笔交易Ta、Tb、Tc、 Td, 则其默克尔树是这样子的。
Ta Tb Tc Td
| | | |
Hash(Ta) Hash(Tb) Hash(Tc) Hash(Td)
| | | |
| _______| |__________|
| |
Hash(Tab) Hash(Tcd)
| |
|____________________|
|
Hash(Tabcd)
即两两哈希，直到树根，若节点数目为奇数，则复制一个相同节点。
默克尔树可以快速验证区块中是否存在某笔交易，并且可以快速校验区块交易数据的一致性。平时在下载文件时，会有一个哈希校验值，原理和作用与此类似。
简单点来说，挖矿就是遍历，使得区块头的哈希匹配的过程。为理解挖矿，可做如下试验。
在python里运行如下脚本
import hashlib
s = "I am Satoshi Nakamoto"
for i in range(0,10):
t = s + str(i)
print(t,hashlib.sha256(t).hexdigest())可以得到结果
I am Satoshi Nakamoto0 => a80a81401765c8eddee25df36728d732acb6d135bcdee6c2f87a3784279cfaed
I am Satoshi Nakamoto1 => f7bc9a6304a4647bb41241a677b5345fe3cd30db882c8281cf24fbb7645b6240
I am Satoshi Nakamoto2 => ea758a8134b115298a1583ffb80ae62939a2d086273ef5a7b14fbfe7fb8a799e
I am Satoshi Nakamoto3 => bfa9779618ff072c903d773de30c99bd6e2fd70bb8f2cbb929400e0976a5c6f4
I am Satoshi Nakamoto4 => bce8564de9a83c18c31944a66bde992ff1a77513f888e91c185bd08ab9c831d5
I am Satoshi Nakamoto5 => eb362c3cf3479be0a97a20163589038e4dbead49f915e96e8f983f99efa3ef0a
I am Satoshi Nakamoto6 => 4a2fd48e3be420d0d28e202360cfbaba410beddeebb8ec07a669cd8928a8ba0e
I am Satoshi Nakamoto7 => 790b5a1349a5f2b909bf74d0d166b17a333c7fd80c0f0eeabf29c4564ada8351
I am Satoshi Nakamoto8 => 702c45e5b15aa54b625d68dd947f1597b1fa571d00ac6c3dedfa499f425e7369
I am Satoshi Nakamoto9 => 7007cf7dd40f5e933cd89fff5b791ff0614d9c6017fbe831d63d392583564f74
我们每次改变了字符串最后的数字，每次结果都千差万别，看起来像是完全随机。这就是哈希函数的作用，输出均匀且单向不可逆。现在我们设定一个目标，找到一个数字，使得哈希后的十六进制数以0开头。在多增加几次循环后，我们找到了目标，即
I am Satoshi Nakamoto13 => 0ebc56d59a34f5082aaef3d66b37a661696c2b618e62432727216ba9531041a5
从概率上讲，输出是均匀分布的，而十六进制数为0-F, 所以平均十六次试验可以找到1个以0开头的哈希值。即小于0x1000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000的值。如果我们不断的减小这个阈值，那么平均试验次数将以16的指数爆炸性增长。
因而，可以从实现目标的难度估算出所需的工作量。当算法是基于诸如SHA256的确定性函数的时候，输入本身就成为证据，必须要以一定的工作量才能产生低于目标的结果。因此，称之为工作量证明。
区块中难度用系数/指数的形式表示，在高度为277,316的区块中，难度以0x1903a30c为例，其中0x19为幂，0x03a30为系数，代表的难度目标为
target = 22,829,202,948,393,929,850,749,706,076,701,368,331,072,452,018,388,575,715,328
转为为十六进制后为0x0000000000000003A30C00000000000000000000000000000000000000000000 ,其二进制数中前60位都是0, 平均需计算16^60=2^240次。
一旦某个矿工找到了满足条件的Nonce值，便可以将区块头和交易列表打包成区块，添加到区块链里去。而打包这个区块的矿工,就获得了创币的特权，并且得到了交易中包含的手续费。
所以我们看到挖矿实际上是通过工作量证明将交易打包成区块，并链接到链上使得交易得到确认的过程，是BTC里不可缺少的一部分。没有了挖矿，所有的交易都只会留着节点的内存里。
BTC里的私钥其实就是一个256bit长的随机数字，然后通过椭囿曲线乘法可以由私钥得到公钥。然后对公钥进行SHA256哈希运算，再进行ripemd160哈希运算，结果前面加上版本，后面加上校验和，最后使用base58编码就得到了形如17XLQvEM5uKPvuFPqfN8op2GQ6zs51Rqjv的地址。
这里的公私钥和常用的RSA加密性质上是一样的，地址呢就是公钥先哈希为256bit，再哈希为160bit，加上版本和校验和，最后编码成不容易认错的base58的形式。
理解里上面这些概念，现在我们就可以做个单机版的玩具链出来啦！
package main
import (
"log"
"github.com/MooooonStar/toychain/core"
"github.com/hokaccha/go-prettyjson"
)
func main() {
// 创世块, 奖励100
addr := "17XLQvEM5uKPvuFPqfN8op2GQ6zs51Rqjv"
message := "Long Live The Bitcoin"
bc := core.NewBlockchain(addr, message)
// A挖到了第一个块, 奖励100
keyA := core.NewKeyPair()
tx0 := core.NewCoinbaseTx(keyA.Address(), "A got it")
block1 := core.NewBlock([]*core.Transaction{tx0}, bc.Current.Hash())
nonce1 := core.ProofOfWork(*block1)
block1.Nonce = nonce1
bc.AddBlock(block1)
// B挖到了第二个块，并且A向C矿工转账了6。 A: 94, B: 100, C: 6
keyB, keyC := core.NewKeyPair(), core.NewKeyPair()
tx1 := core.NewCoinbaseTx(keyB.Address(), "B got it")
tx2, err := core.NewTransaction(keyC.Address(), 6, keyA, bc)
if err != nil {
log.Fatal(err)
}
block2 := core.NewBlock([]*core.Transaction{tx1, tx2}, bc.Current.Hash())
nonce2 := core.ProofOfWork(*block2)
block1.Nonce = nonce2
bc.AddBlock(block2)
// D挖到了第三个块, C->D 2, A->B 4, A: 90, B: 104, C: 4, D: 102
keyD := core.NewKeyPair()
tx3 := core.NewCoinbaseTx(keyD.Address(), "D got it")
tx4, err := core.NewTransaction(keyD.Address(), 2, keyC, bc)
if err != nil {
log.Fatal(err)
}
tx5, err := core.NewTransaction(keyB.Address(), 4, keyA, bc)
if err != nil {
log.Fatal(err)
}
block3 := core.NewBlock([]*core.Transaction{tx3, tx4, tx5}, bc.Current.Hash())
nonce3 := core.ProofOfWork(*block3)
block3.Nonce = nonce3
bc.AddBlock(block3)
// 显示区块的结构
bt, _ := prettyjson.Marshal(bc.GetBlocks())
log.Println(string(bt))
// 查看余额是否为 A: 90, B: 104, C: 4, D: 102
for _, key := range []*core.KeyPair{keyA, keyB, keyC, keyD} {
_, err := core.NewTransaction(addr, 1000, key, bc)
if err != nil {
log.Println("show balance:", err)
}
}
}输出为:
[
// 创世块
{
"MerkleRoot": "6efadffa729e5290a2420b46aabf5d712f2f52750894facc8827d3da3be77322",
"Nonce": 0,
"PrevBlock": "0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000",
"Target": 8,
"Timestamp": 1573910049,
"Transactions": [
{
"ID": "e10de29ba6cccf2155c8e1535d8613280e3e660509c9e692980d01ffbf01b222",
"Vin": [
{
"PubKey": "TG9uZyBMaXZlIFRoZSBCaXRjb2lu", // base64解码即为 Long Live The Bitcoin
"Signature": null,
"TxID": "0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000",
"Vout": -1
}
],
"Vout": [
{
"PubKeyHash": "R41wLUp70Wr7+Lfm7rlQ8aNEG4A=",
"Value": 100
}
]
}
],
"Version": 0
},
{
"MerkleRoot": "161500bed1f416de91231b4dc622f81d7bc8fee3aae504bf12b7f7e0e14db506",
"Nonce": 249,
"PrevBlock": "554283088c0f8a9cea43bfdcaa064cf4dd832d243463a92eb37b1cdeee7d676e",
"Target": 8,
"Timestamp": 1573910049,
"Transactions": [
// 创币交易
{
"ID": "4255ec21fb59ff25f2d87ac07a727b68f547c2ca6bad900f2699e620e2ea5089",
"Vin": [
{
"PubKey": "QSBnb3QgaXQ=",
"Signature": null,
"TxID": "0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000",
"Vout": -1
}
],
"Vout": [
{
"PubKeyHash": "nCf+aqgHXJa2MmkOiUlhnmwo8XE=",
"Value": 100
}
]
}
],
"Version": 0
},
{
"MerkleRoot": "9ad6460a770dafd9cfe077cd67f6a0c3715c056c82a26fbb10d7a8bb034ade1a",
"Nonce": 249,
"PrevBlock": "63f6a51ad522adf384494c9ea6a85421c02c316048c43f73c11073a9faf822e7",
"Target": 8,
"Timestamp": 1573910049,
"Transactions": [
{
"ID": "4399d728a35e72ee6674cef6eb9170a852d92d0835ed27b07a10773e4ddb17b7",
"Vin": [
{
"PubKey": "QiBnb3QgaXQ=",
"Signature": null,
"TxID": "0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000",
"Vout": -1
}
],
"Vout": [
{
"PubKeyHash": "62TkdhVTHvx89l+js5noLZyQTBE=",
"Value": 100
}
]
},
{
"ID": "ad1102af9d1a614aaf55842ae4e089c120dd7ca8317fbac94591ec0cc92a1a65",
"Vin": [
{
"PubKey": "ErPS5vv/exUazYe9TlQZYIBQ09vATLMBKXFff+0hJG0oJ90gJR/vLmDEYEUCNMyRNg/ebJsxoWfPgJB3k/UVGw==",
"Signature": "8FAGtjYIJ4CE8kATnTI29hh++uhM02eopa2TERNlltu9bJlEeAMkLiQEUoXnWZvM1Xe+diniDo48ojL4bz6qnA==",
"TxID": "4255ec21fb59ff25f2d87ac07a727b68f547c2ca6bad900f2699e620e2ea5089", //引用了第一个块中的第0笔交易
"Vout": 0 //引用了交易的第0个输出
}
],
"Vout": [
{
"PubKeyHash": "oWN5N5JDcaLmzwqed6QXYxyAk+c=",
"Value": 6
},
{
"PubKeyHash": "nCf+aqgHXJa2MmkOiUlhnmwo8XE=", // 找零
"Value": 94
}
]
}
],
"Version": 0
},
{
"MerkleRoot": "995a716c388bf697ed5bde1ce647f3f5e14babc6e0b0465c94e9411ad9bc0dfa",
"Nonce": 398,
"PrevBlock": "506f63e923797f8b1b84806588a188511e803402ff8df7682b0398653f10cc8d",
"Target": 8,
"Timestamp": 1573910049,
"Transactions": [
{
"ID": "6ecae96d41670bc41fa4da632febb7ee3ba1a6eee67838a0d7ec97131fdbaeb2",
"Vin": [
{
"PubKey": "RCBnb3QgaXQ=",
"Signature": null,
"TxID": "0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000",
"Vout": -1
}
],
"Vout": [
{
"PubKeyHash": "6foao7bLzoZS1mhzI/YiLc0899M=",
"Value": 100
}
]
},
{
"ID": "a4da32136945e400cde1adfc69847918180a655941d53093fb84586f5a58756a",
"Vin": [
{
"PubKey": "R5TWIEdq/fF+fsiIhwppJu1QSBMfC9RiyFZHzzHp0NpItYyagAg61EnPK76L01Q7fb32g0e71dBHJAeo4fXVbA==",
"Signature": "/zC5vKvI7MLVhJAbFvDtJ8YrvyJcRMzpGruWg7xBbCXc873MyR/kAO6nAdjNzNGJ/BXNbog8tKdokIpXcFKYOg==",
"TxID": "ad1102af9d1a614aaf55842ae4e089c120dd7ca8317fbac94591ec0cc92a1a65", // 引用了第2个块中的第1笔交易
"Vout": 0 // 引用了交易的第0个输出
}
],
"Vout": [
{
"PubKeyHash": "6foao7bLzoZS1mhzI/YiLc0899M=",
"Value": 2
},
{
"PubKeyHash": "oWN5N5JDcaLmzwqed6QXYxyAk+c=",
"Value": 4
}
]
},
{
"ID": "ba5caa697b4b05e3799c3321e58c8fce58370b450d356052c9fb0eb8290b2760",
"Vin": [
{
"PubKey": "ErPS5vv/exUazYe9TlQZYIBQ09vATLMBKXFff+0hJG0oJ90gJR/vLmDEYEUCNMyRNg/ebJsxoWfPgJB3k/UVGw==",
"Signature": "2BEe63BWBUfiyvsWUmNylulEGxDdmlvHkwt6hrKs0oYQq4qlqJhC6Mny+JyAY6v93souYTWGniJQoEop2eLUWg==",
"TxID": "ad1102af9d1a614aaf55842ae4e089c120dd7ca8317fbac94591ec0cc92a1a65", // 引用了第2个块中的第1笔交易
"Vout": 1 // 引用了交易的第1个输出
}
],
"Vout": [
{
"PubKeyHash": "62TkdhVTHvx89l+js5noLZyQTBE=",
"Value": 4
},
{
"PubKeyHash": "nCf+aqgHXJa2MmkOiUlhnmwo8XE=",
"Value": 90
}
]
}
],
"Version": 0
}
]- 代码参考了blockchain_go， 如有雷同，算我抄他
- 书籍参考了《精通比特币（第二版)》
- 打赏:
17XLQvEM5uKPvuFPqfN8op2GQ6zs51Rqjv - TODO: 加入P2P网络