區塊鏈 Blockchain – 創世區塊、區塊、Merkle Tree、Hash

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區塊鏈(Blockchain) 可簡單形象化地可理解為很多分散在世界各地的區塊(Block)以 "鏈"(Chain)的形式串連在一起,就猶如一串鐵鏈一樣,由很多小鐵環串成一條鐵鏈。這就是區塊鏈的形象化概念。

那麼,區塊鏈中的區塊實際上是什麼呢?以下以比特幣(BitCoin)區塊鏈中的區塊為例:

區塊(Block)

上述這張簡化版的比特幣區塊鏈圖中有三個區塊 Block 1, Block 2, Block 3.

每個區塊都包含兩個部份:區塊頭(Block Header)區塊體(Block Body)

  1. 區塊頭(Block Header)

先看看區塊頭的數據結構

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struct header_structure {
uint32_t nVersion;    // 4 bytes - Version
uint8_t hashPrevBlock[32];    // 32 bytes - Previous block header hash
uint8_t hashMerkleRoot[32];    // 32 bytes - Merkle root hash
uint32_t nTime;    // 4 bytes - Timestamp
uint32_t nBits;    // 4 bytes - Difficulty Target
uint32_t nNonce;    // 4 bytes Nonce
};

    1. 版本號(Version)
    2. 前一個區塊的 Hash值
      • 能讓當前區塊與上一個區塊形成一個連結,而且能確保區塊的順序及過去區塊的準確性;
      • 當前區塊的Hash值一定比這個Hash值小;
    3.  Merkle Tree Root(Merkle樹根節點的Hash值)
    4. Timestamp 時間戳
    5. Difficulty Target 困難值
      • 這個困難值每2016個區塊會調整一次;
    6. Nonce 隨機數
      • 表示當前區塊工作量證明 PoW演算法進行的隨機數;
  1. 區塊體(Block Body)
    • 包含了產生該區塊的所有數據,以比特幣區塊鏈為例,這裡數據即交易記錄(Transactions),並以 Merkle Tree形式表示;

在比特幣區塊中,比特幣支出和接收交易是一起記錄的,整個收支記錄包括很多筆記錄,而每一筆記錄都有自己的索引編號,方便查詢。

同時,每筆記錄中還包含了生成時間、引用交易的Hash值、交易記錄索引編號、比特幣支出地址等等的數據。而每一筆收支交易記錄都有一個 Merkle 節點 Hash值,這也是 Merkle Tree的一部份,決定了每一個地址都不能夠重複交易或被偽造。

每筆記錄的數據結構如下:

以上就是比特幣區塊鏈中區塊(Block)的結構,那剛才一直說的 Merkle Tree 又是怎麼一回事呢?

Merkle Tree

Merkle Tree 是一種用來表示 Hash 值的數據結構。它的基本結構就是 Binary Tree(二元樹),每一個非葉子節點(Node),都被標示一個 Hash 值。由於 Merkle Tree 的發明人是 Ralph Merkle,當然這就是這個資料結構的名稱由來。

他是會把每一筆交易的TxID透過SHA256做加密

HA = SHA256(SHA256(TxA))

HB = SHA256(SHA256(TxB))

HC = SHA256(SHA256(TxC))

HD = SHA256(SHA256(TxD))

如此類推,然後兩兩連接(Concat)在一起,再進行加密:

HAB = SHA256(SHA256(HA+HB))

HCD = SHA256(SHA256(HC+HD))

直至出現 Merkle Tree Root為止:

HABCD = SHA256(SHA256(HAB+HCD))

這樣就得出與上圖一樣的 Merkle Tree。

而這裡 Merkle Tree Root 也就是上面提到的頭塊頭中的 Merkle Tree Root 部份,而下面的部份就是所有的交易記錄。

創世區塊 Genesis Block

創世區塊 Genesis Block 這個名字聽起來很像很了不起的樣子,實際上就是區塊鏈的第一個區塊,結構上與鏈中其他區塊都沒差別。

那麼區塊鏈中的創世區塊 、區塊 、Mrekle Tree的關係是怎樣的?

在創建區塊鏈時,首先要建立創世區塊 Genesis Block,此時,Genesis Block 就會有屬於它的Hash值,然後使用演算法運算,得出第一個區塊 Block #1,那麼,Block #1也會有屬於它的Hash值,還記得區塊頭結構中有個叫"前一個區塊的記錄"(Hash Of Previous Block Header)嗎?沒錯,Block #1 就會把 Genesis Block的值放進這個位置,這樣,就相當於連結到前一個Block,即創世區塊 Genesis Block ,如此類推,不斷產生的區塊都使用這種方式連接起來,這樣,就形式大家耳熟能詳的區塊鏈 Blockchain了。

區塊到底能做什麼呢?每一個區塊,都能用來「記帳」,整個區塊鏈 Blockchain 串接起來就是一本完整的帳冊,所以說,區塊鏈 Blockchain 也叫做 Distributed Ledger(分散式帳本)。

慢著,上面一直在說的 Hash值又是什麼啊?

Hash

Hash 詳細解釋可查閱維基百科 雜湊函數

Hash值比較

在工作量證明 PoW時,到底是怎樣比較 Hash 值的大小?其實就是將 Hash值先轉換為 big integer再比較。

Hash值對區塊的影響

  1. 每個區塊的 Hash 都是不一樣的,可以通過 Hash 標識區塊;
  2. 如果區塊的內容變了,它的 Hash 一定會改變;

Hash的不可修改性

由於區塊與 Hash 是一一對應的,每個區塊的 Hash 都是針對"區塊頭"(Head)計算的。

上面提到,區塊頭包含很多內容,其中有當前區塊體的 Hash(注意是"區塊體"的 Hash,而不是整個區塊),還有上一個區塊的 Hash。這也意味著,如果當前區塊的內容變了,或者上一個區塊的 Hash 變了,一定會引起當前區塊的 Hash 改變。

這一點對區塊鏈有重大意義。如果有人修改了一個區塊,該區塊的 Hash 就變了。為了讓後面的區塊還能連到它,該人必須同時修改後面所有的區塊,否則被改掉的區塊就脫離區塊鏈了。由於Hash 的計算非常耗時,同時修改多個區塊幾乎不可能發生,除非有人掌握了全網 51% 以上的計算能力。

正是通過這種聯動機制,區塊鏈保證了自身的可靠性,數據一旦寫入,就無法被篡改。這就像歷史一樣,發生了就是發生了,從此再無法改變。

看到這裡,如果還不清楚,可以從這裡倒著向上看一次,應該就會很清楚區塊到底實際上是怎麼一回事了。

區塊是區塊鏈中的基本組成部份,每個區塊鏈的數據結構、每個在結構內包含的元素(前一個區塊的 Hash值、加密運算方式、時間戳、簽名等等)都與整個區塊、甚至整個區塊鏈息息相關,正因為這種巧妙設計,令到區塊鏈可靠性、不可逆、無法篡改的特性更為突出。而深入地了解區塊中各項的組成部份及相互之間的關係,將對接下來學習建立屬於自己的區塊鏈及應用,打下良好的基礎。

參考文章出處:

Jollen's Blog - Blockchain Developer - 認識 Genesis Block

阮一峰的網絡日誌 -區塊鏈入門教程

 

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