0. 從一種更簡單的角度理解區塊鏈技術

如果我們使用搜索引擎去搜索 區塊鏈, 我們看到最多的是 去中心化, 分散式, 信任, 不可更改, 不可偽造, 共識, 工作量證明, POW, 權益證明, POS, 公鏈, 私鏈, 聯盟鏈, 智慧合約, 未來 等等一堆類似的詞彙。

現在讓我們將這些詞彙從大腦中一個個剔除掉，讓我們對區塊鏈的認識歸零。

傳統中心和區塊鏈的礦工

在傳統的中心化應用裡, 中心需要做很多繁雜的事情, 而在比特幣世界裡, 礦工只做三件事情: 1.驗證交易 2.寫交易 3.讀交易, 當然為了做成這三件事情，礦工需要做很多其他幕後的工作。

在傳統的中心化應用裡, 中心接收你的命令，為你完成相關的任務, 而在比特幣世界裡, 礦工只做三件事情: 1.驗證交易 2.寫交易 3.讀交易, 礦工不會接受你的任何命令。

在傳統的中心化應用裡, 中心即使沒有你的命令，也可以為你完成意想不到的任務，比如將你的帳號充值清零, 刪除你的訂單, 刪除你的評論，帖子等等, 而在比特幣世界裡, 礦工只做三件事情: 1.驗證交易 2.寫交易 3.讀交易, 礦工無法替你建立任何交易, 也無法修改你的任何交易.

在傳統的中心化應用裡, 中心制定規則,中心想要什麼樣的規則就可以有什麼樣的規則, 而在比特幣的世界裡, 規則塑造本尊，改變規則預示著分裂.

在傳統的中心化應用裡, 中心總是試圖瞭解你，變得很懂你，知道你想做什麼, 而在比特幣世界裡, 礦工只做三件事情: 1.驗證交易 2.寫交易 3.讀交易, 礦工不關心你是誰，也不關心你想做什麼.

在傳統的中心化應用裡，中心經常背鍋，發生了錯誤和損失，你第一時間想到的是向中心追責, 而在比特幣世界裡, 礦工只做三件事情: 1.驗證交易 2.寫交易 3.讀交易, 所有的錯誤你都得自己負責.

在某種傳統的中心化應用裡, 比如某個電商網站，你在上面購買了一盒牙刷, 為了購買這盒牙刷，網站中心會為你完成一系列的業務操作, 生成一系列的業務資料比如訂單，支付，物流，積分等, 和網站中心相比，你實際上什麼都沒有幹, 當然你其實點選了很多次滑鼠, 打了很多字，讀了很多商品評價。 

但是在比特幣世界裡，你給某個地址轉賬，和礦工相比, 轉賬這件事情其實百分之百是你自己完成的, 交易是你建立的，礦工做的事情只不過是驗證下交易，然後將交易寫到區塊中.

 

現在我們將上面的礦工都改成中心，其他不變:

傳統中心和區塊鏈的中心

在傳統的中心化應用裡, 中心需要做很多繁雜的事情, 而在比特幣世界裡, 中心只做三件事情: 1.驗證交易 2.寫交易 3.讀交易, 當然為了做成這三件事情，中心需要做很多其他幕後的工作。

在傳統的中心化應用裡, 中心接收你的命令，為你完成相關的任務, 而在比特幣世界裡, 中心只做三件事情: 1.驗證交易 2.寫交易 3.讀交易, 中心不會接受你的任何命令。

在傳統的中心化應用裡, 中心即使沒有你的命令，也可以為你完成意想不到的任務，比如將你的帳號充值清零, 刪除你的訂單, 刪除你的評論，帖子等等, 而在比特幣世界裡, 中心只做三件事情: 1.驗證交易 2.寫交易 3.讀交易, 中心無法替你建立任何交易, 也無法修改你的任何交易.

在傳統的中心化應用裡, 中心制定規則,中心想要什麼樣的規則就可以有什麼樣的規則, 而在比特幣的世界裡, 規則塑造本尊，改變規則預示著分裂.

在傳統的中心化應用裡, 中心總是試圖瞭解你，變得很懂你，知道你想做什麼, 而在比特幣世界裡, 中心只做三件事情: 1.驗證交易 2.寫交易 3.讀交易, 中心不關心你是誰，也不關心你想做什麼.

在傳統的中心化應用裡，中心經常背鍋，發生了錯誤和損失，你第一時間想到的是向中心追責, 而在比特幣世界裡, 中心只做三件事情: 1.驗證交易 2.寫交易 3.讀交易, 所有的錯誤你都得自己負責.

在某種傳統的中心化應用裡, 比如某個電商網站，你在上面購買了一盒牙刷, 為了購買這盒牙刷，網站中心會為你完成一系列的業務操作, 生成一系列的業務資料比如訂單，支付，物流，積分等, 和網站中心相比，你實際上什麼都沒有幹, 當然你其實點選了很多次滑鼠, 打了很多字，讀了很多商品評價。 

但是在比特幣世界裡，你給某個地址轉賬，和中心相比, 轉賬這件事情其實百分之百是你自己完成的, 交易是你建立的，中心做的事情只不過是驗證下交易，然後將交易寫到區塊中.
 

所以我們可以認為區塊鏈技術是： 該由使用者做的事情，只能由使用者自己去做, 我們只能按規則驗證使用者所做的事情, 並將使用者自己所做的事情如實地記錄在一條鏈上，這條鏈就是區塊鏈。

1. 解析交易

創世區塊即比特幣的第一個區塊，這個區塊只包含了一筆交易我們把此交易叫做創世交易, 並將它記作 Tx0，為了構造創世區塊，我們首先要構造 Tx0, 為了構造 Tx0 我們需要理解比特幣中的交易的資料結構.

general format of a Bitcoin transaction (inside a block)

為了確認自己理解了比特幣交易的資料結構，最好的方式是自己寫一個 parser, 然後使用自己寫的這個 parser 去解析比特幣交易資料的內容。我們可以使用任何自己熟悉的程式語言去寫這個 parser, 但是在這篇文章中我會大部分使用 c 語言, 包括用 c 去寫這個 parser, 因為我認為使用 c 語言研究區塊鏈技術會比較直接和方便。

1.1 解析 Version no

/* parse_tx_version.c */

#include <stdio.h>

int main()
{
  FILE *fp;
  unsigned int tx_version;

  fp = fopen("tx0.bin", "rb");
  fread(&tx_version, sizeof(tx_version), 1, fp);

  printf("Tx Version: %u\n", tx_version);
}

通過分析 parse_tx_version.c 的程式碼我們可以看到用 c 語言解析比特幣交易的資料結構非常直接: 定義一個 unsigned int 型別的 tx_version 變數, tx_version也是 4 bytes, 然後從 tx0.bin 的開始位置讀 1 次, 讀取的位元組大小是 4 個位元組, 這個 4 由 sizeof(tx_version) 計算出來, 讀取的結果存放到 tx_version 變數裡，編譯上述程式碼,並執行,我們得到下面的輸出:

Tx Version: 1

1.2 解析 In-counter

In-counter 的結構定義如下:

Variable length integer

解析的步驟如下:

• 讀取第 1 個位元組, 假設它的值為 v1

• 如果 v1 < 0xF, 那麼 v1 就是 In-counter 的值

• 如果 v1 == 0xFD, 那麼再讀取 2 個位元組, 這 2 個位元組是以 little-endian 形式儲存的

• 如果 v1 == 0xFE, 那麼再讀取 4 個位元組, 這 4 個位元組是以 little-endian 形式儲存的

• 如果 v1 == 0xFF, 那麼再讀取 8 個位元組, 這 8 個位元組是以 little-endian 形式儲存的

/* parse_tx_vinc.c */

#include <stdio.h>
#include <stdint.h>

int main()
{
  FILE *fp;
  unsigned int tx_version;

  
  uint8_t  tx_vin1;
  uint16_t tx_vin2;
  uint32_t tx_vin4;
  uint64_t tx_vin8;
  uint64_t tx_vin;

  fp = fopen("tx0.bin", "rb");
  fread(&tx_version, sizeof(tx_version), 1, fp);
  fread(&tx_vin1, sizeof(tx_vin1), 1, fp);
  if(tx_vin1 < 0xFD){
    tx_vin = tx_vin1;
  } else if(tx_vin1 == 0xFD){
    fread(&tx_vin2, sizeof(tx_vin2), 1, fp);
    tx_vin = bbp_eint16(BBP_LITTLE, tx_vin2); /* 處理 little-endian 形式的 uint16_t */
  } else if(tx_vin1 == 0xFE) {
    fread(&tx_vin4, sizeof(tx_vin4), 1, fp);
    tx_vin = bbp_eint32(BBP_LITTLE, tx_vin4); /* 處理 little-endian 形式的 uint32_t */
  } else if(tx_vin1 == 0xFF) {
    fread(&tx_vin8, sizeof(tx_vin8), 1, fp);
    tx_vin = bbp_eint64(BBP_LITTLE, tx_vin8); /* 處理 little-endian 形式的 uint64_t */
  } else {
    tx_vin = 0;
  }


  printf("Tx Version: %u\n", tx_version);
  printf("Tx In-counter: %lld\n", tx_vin);
  
}

執行程式:

$ make parse_tx_vinc
$ ./parse_tx_vinc.out

Tx Version: 1
Tx In-counter: 1

1.3 解析 list of inputs

list of inputs 是由一組 Txin 構成的, Txin 的結構如下:

general format (inside a block) of each input of a transaction - Txin

為簡單起見，我們只解析第一個 Txin, 我們以解析 Previous Transaction hash 為例子來講講解析過程。

1. Previous Transaction hash 一共有 32 個位元組，為此我們定義一個長度為 32，型別為 uint8_t 的陣列來儲存 Hash, 這個陣列定義為 uint8_t pre_tx_hash[32];

2. 將 Hash 以 16 進位制的形式儲存到一個字串中, 這個字串定義為 char pre_tx_hash_str[65]

因為 Tx0 的 Previous Transaction hash 是 “0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000”, 有一定的特殊性，為了 確認解析結果是否正確，我們可以解析其他一些不特殊的交易資料，比如 https://webbtc.com/tx/703fc5…, 編譯程式碼後我們可以給程式提供一個待解析的交易檔名為引數，比如:

$ ./a.out tx0.bin

$ ./a.out tx0.bin 
Tx Version: 1
Tx In-counter: 1
Txin Previous Tx Hash: 0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000
Txin Previous Txout-index: ffffffff
Txin-script length: 77
Txin-script / scriptSig: 04ffff001d0104455468652054696d65732030332f4a616e2f32303039204368616e63656c6c6f72206f6e206272696e6b206f66207365636f6e64206261696c6f757420666f722062616e6b73
Txin sequence_no: ffffffff

或者

$ ./a.out tx_703fc5ee.bin

$ ./a.out tx_703fc5ee.bin 
Tx Version: 1
Tx In-counter: 1
Txin Previous Tx Hash: a59238577c596d2caa367c0855a76a75efcde6953186507fa51ee2dff3eb8b41
Txin Previous Txout-index: 1
Txin-script length: 106
Txin-script / scriptSig: 47304402207b9e4d1c1e126f47db3d74f981b8ee9c124f44a92637a657dc94cd4b05216a9a022014fe5df34c6e2c3b1bb1de3f69097873e220b97c0beefd29cc714abeb8180c880121030e1e08f6d4ba2b71207c961109f9d0b7eaad24b106ecc9b691c297c732d47fcc
Txin sequence_no: ffffffff

我們會發現解析 tx_703fc5ee.bin 的結果中 scriptSig 和 https://webbtc.com/tx/703fc5ee.json 中的 scriptSig 有些不一樣, 一眼可以看出我們自己解析出的 scriptSig 前面多了 47, 這是什麼原因導致的呢？回頭再看 Txin 的結構表, Txin-script / scriptSig 的描述是一個 Script(https://en.bitcoin.it/wiki/Script), 比特幣的 Script 是一個類似 Forth 語言的東西，我們自己寫的解析器已經可以將 Script 的內容原原本本地讀出來了，但是還需要將它翻譯下。在後面的解析中我們會知道 47 準確地說是 0x47 其實是一個 Script Constant^[28], Script Constant 是 Script OP_CODE 中的一種.

703fc5ee.json 中的 txin 的 scriptSig 的內容如下:

scriptSig: "304402207b9e4d1c1e126f47db3d74f981b8ee9c124f44a92637a657dc94cd4b05216a9a022014fe5df34c6e2c3b1bb1de3f69097873e220b97c0beefd29cc714abeb8180c8801 030e1e08f6d4ba2b71207c961109f9d0b7eaad24b106ecc9b691c297c732d47fcc"

我們自己寫的解析器解析 tx_703fc5ee.bin 得到的 scriptSig 的內容如下：

scriptSig: "47304402207b9e4d1c1e126f47db3d74f981b8ee9c124f44a92637a657dc94cd4b05216a9a022014fe5df34c6e2c3b1bb1de3f69097873e220b97c0beefd29cc714abeb8180c880121030e1e08f6d4ba2b71207c961109f9d0b7eaad24b106ecc9b691c297c732d47fcc"

到目前為止, 我們的主要目的是解析 Tx0 的資料結構, 同時我們又通過解析檔案 tx_703fc5ee.bin 來做一個參考檢驗, 我們會先把主要的精力放在解析 tx0.bin 和 tx_703fc5ee.bin 上面，所以在這篇文章中，我們後續的解析工作會繼續圍繞在 tx0.bin 和 tx_703fc5ee.bin 這兩個檔案上面, 程式碼的編寫也會主要針對這兩個檔案。

1.4 解析 Txin-script / scriptSig

在這一節中我們將主要討論解析 tx_703fc5ee.bin 和 tx0.bin 這兩個檔案的 Txin-script / scriptSig, 其中 tx0.bin 的 Txin-script / scriptSig 的更準確的名字應該是 coinbase.

scriptSig 的結構是: <Signature> <PubKey>, 也就是說 scriptSig 分為兩部分：第 1 部分是 Signature, 第 2 部分是 PubKey, 那麼我們如何將檔案 tx_703fc5ee.bin 的 scriptSig 解析成 Signature 和 PubKey 兩部分呢?

首先我們看一個表:

When talking about scripts, these value-pushing words are usually omitted.

為簡單起見，我們先只分析 Opcode 為 1-75 的情況, 當 1 <= Opcode <= 75 時, Opcode 後面的 Opcode 個位元組的資料將被壓入到棧中，這個會被壓入到棧中的資料就是 Signature 或者 PubKey, 這裡的棧是比特幣腳本系統的一種資料結構，用於執行 Script.

通過下面的圖我們可以更加直觀地理解 scriptSig.

通過上圖我們已經可以手工地解析出 Signature 和 PubKey, 接下來我們通過編寫程式碼來實現解析。

編譯檔案 parse_txin_script_sig.c, 然後分別使用 tx0.bin 和 tx_703fc5ee.bin 作為輸入檔案進行測試，測試結果如下:

$ ./a.out tx0.bin 

Tx Version: 1
Tx In-counter: 1
Txin Previous Tx Hash: 0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000
Txin Previous Txout-index: ffffffff
Txin-script length: 77
Txin-script / coinbase: 04ffff001d0104455468652054696d65732030332f4a616e2f32303039204368616e63656c6c6f72206f6e206272696e6b206f66207365636f6e64206261696c6f757420666f722062616e6b73
Txin sequence_no: ffffffff

$ ./a.out tx_703fc5ee.bin 

Tx Version: 1
Tx In-counter: 1
Txin Previous Tx Hash: a59238577c596d2caa367c0855a76a75efcde6953186507fa51ee2dff3eb8b41
Txin Previous Txout-index: 1
Txin-script length: 106
Txin-script / scriptSig: 304402207b9e4d1c1e126f47db3d74f981b8ee9c124f44a92637a657dc94cd4b05216a9a022014fe5df34c6e2c3b1bb1de3f69097873e220b97c0beefd29cc714abeb8180c8801 030e1e08f6d4ba2b71207c961109f9d0b7eaad24b106ecc9b691c297c732d47fcc
Txin sequence_no: ffffffff

將上面的測試結果分別與 webbtc.com 上的 TX-0 和 TX-703fc5ee 作比較，我們會發現結果是吻合的。

解析的過程是這樣的，首先定義了一系列的巨集, 我們只敘述用到的巨集:

#define COINBASE_INX       0xffffffff
#define NULL_HASH          "0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000"
#define OP_PUSHDATA0_START 0x01
#define OP_PUSHDATA0_END   0x4b
#define SIG_BUF_SIZE       1000

COINBASE_INX 和 NULL_HASH 結合起來使用，用於判斷 Txin(交易輸入) 是否是 coinbase 型別的輸入, 什麼是 coinbase 呢? 簡單地說就是比特幣系統給你輸入了一筆錢，這筆錢不是來自任何的個人。如果一個 Txin 的 Previous Txout-index 等於 COINBASE_INX 並且 Previous Tx Hash 等於 NULL_HASH, 那麼這個 Txin 就是 coinbase 型別的輸入.

OP_PUSHDATA0_START 和 OP_PUSHDATA0_END 結合起來使用，用於解析下面的規則:

對於一個非 coinbase 型別的 Txin, 當讀取它的 scriptSig 時, 如果 opcode 的值是在 OP_PUSHDATA0_START 和 OP_PUSHDATA0_END 之間就需要使用上述的規則解析 scriptSig.

SIG_BUF_SIZE 用於給 coinbase 和 scriptSig 固定分配一段足夠大的記憶體，因為 coinbase 和 scriptSig 是變長的，如果在程式執行時動態分配記憶體會是一件比較複雜的事情，所以我們預先設定 SIG_BUF_SIZE 為 1000 個位元組，足夠容納 coinbase 或者 scriptSig.

然後我們定義 coinbase 和 scriptSig 的資料結構:

typedef struct coinbase_sig {
  char sig[SIG_BUF_SIZE];
  uint64_t len;
} coinbase_sig;

typedef struct script_sig {
  char sig[SIG_BUF_SIZE];
  char pubkey[SIG_BUF_SIZE];
  uint64_t len;
} script_sig;

我們用 struct coinbase_sig 來儲存 coinbase, 用 struct script_sig 來儲存 scriptSig.

接著定義用於解析 coinbase 和 scriptSig 的函式:

void btc_cb_sig(coinbase_sig *sig_ptr, FILE *fp)
{
  uint64_t len = sig_ptr -> len;
  uint8_t sig_buf[len];
  char buf3[3];
  
  fread(sig_buf, sizeof(uint8_t), len, fp);
  for(uint64_t i=0; i < len; i++)
  {
    get_hex2_str(buf3, sig_buf[i]);
    sig_ptr->sig[i * 2] = buf3[0];
    sig_ptr->sig[i * 2 + 1] = buf3[1];
  }

  sig_ptr->sig[len * 2] = '\0';

}

void btc_sc_sig(script_sig *sig_ptr, FILE *fp)
{
  uint8_t op_code;
  char buf3[3];

  fread(&op_code, sizeof(uint8_t), 1, fp);
  if(op_code >= OP_PUSHDATA0_START && op_code <= OP_PUSHDATA0_END){
    read_op_pushdata0(sig_ptr -> sig, op_code, fp);
  } else {
  }

  fread(&op_code, sizeof(uint8_t), 1, fp);
  if(op_code >= OP_PUSHDATA0_START && op_code <= OP_PUSHDATA0_END){
    read_op_pushdata0(sig_ptr -> pubkey, op_code, fp);
  } else {
  }

}

其中 void btc_cb_sig(coinbase_sig *sig_ptr, FILE *fp) 用於解析 coinbase, void btc_sc_sig(script_sig *sig_ptr, FILE *fp) 用於解析 scriptSig.

最後實際的解析過程如下, 去掉了一些不相關的程式碼，