比特幣核心資料結構
阿新 • • 發佈：2019-08-05
我們學習計算機時曾經有這麼一個定義：程式=資料結構+演算法，對於一個區塊鏈，我認為從技術方面看與程式的定義類似，核心一個是共識演算法，一個是核心資料結構，這兩點直接決定了這條區塊鏈工作執行原理。比特幣的共識演算法，在這一篇《雜湊函式與比特幣共識演算法PoW》中已經講述了其原理，這一篇主要講述比特幣核心資料結構這一部分。主要包括如下內容：
- Blockchain（區塊鏈）
- Block（區塊）
- Block Header（區塊頭部）
- Merkle Tree（默克爾樹）
- Transaction（交易）
Blockchain
區塊鏈很難用一個什麼定義來描述，如果一定要描述的話，借用以太坊黃皮書中的解釋：區塊鏈就是一個具有共享狀態的密碼性安全交易的單機(cryptographically secure transactional singleton machine with shared-state)。
Block
上面講到區塊鏈是由一個個區塊構成的，哪區塊是怎麼定義的？由區塊頭部和交易兩部分構成：
- 區塊頭部: a data structure containing the block's metadata
- 交易列表: an array (vector in rust) of transactions
C++版本實現定義：
class CBlock : public CBlockHeader { public: // network and disk std::vector<CTransactionRef> vtx; //...省略部分程式碼... }
Rust版本實現定義，可以看到基本都是一樣的：
#[derive(Debug, PartialEq, Clone, Serializable, Deserializable)]
pub struct Block {
pub block_header: BlockHeader, // 區塊頭部
pub transactions: Vec<Transaction>, // 交易列表
}BlockHeader
區塊頭部定義如下：
c++版本實現定義：
/** Nodes collect new transactions into a block, hash them into a hash tree, * and scan through nonce values to make the block's hash satisfy proof-of-work * requirements. When they solve the proof-of-work, they broadcast the block * to everyone and the block is added to the block chain. The first transaction * in the block is a special one that creates a new coin owned by the creator * of the block. */ class CBlockHeader { public: // header int32_t nVersion; // 版本號，指定驗證規則(indicates which set of block validation rules to follow) uint256 hashPrevBlock; // 前一區塊雜湊（實際計算時取得是前一區塊頭雜湊）(a reference to the parent/previous block in the blockchain) uint256 hashMerkleRoot; // 默克爾根雜湊(a hash (root hash) of the merkle tree data structure containing a block's transactions) uint32_t nTime; // 時戳(seconds from Unix Epoch) uint32_t nBits; // 區塊難度(aka the difficulty target for this block) uint32_t nNonce; // 工作量證明nonce(value used in proof-of-work) // ...部分程式碼省略... }
Rust實現版本定義，可以看到基本都是一樣的：
#[derive(PartialEq, Clone, Serializable, Deserializable)]
pub struct BlockHeader {
pub version: u32, // 版本號，指定驗證規則
pub previous_header_hash: H256, // 前一區塊雜湊
pub merkle_root_hash: H256, // 默克爾根雜湊
pub time: u32, // 時戳
pub bits: Compact, // 區塊難度
pub nonce: u32, // 工作量證明nonce
}Merkle Tree
上面區塊頭部的hashMerkleRoot欄位就是默克爾樹根雜湊值，默克爾樹可以說是區塊中最重要的一個數據結構，不僅僅提供了整個區塊所有交易的完整性驗證，。
Rust版本Merkle tree程式碼實現如下：
/// Calculates the root of the merkle tree
/// https://en.bitcoin.it/wiki/Protocol_documentation#Merkle_Trees
pub fn merkle_root<T: AsRef<H256> + Sync>(hashes: &[T]) -> H256{
// 遞迴結束條件
if hashes.len() == 1 {
return hashes[0].as_ref().clone();
}
// 雜湊成對，為下一步計算做準備
let mut row = Vec::with_capacity(hashes.len() / 2);
let mut i = 0;
while i + 1 < hashes.len() {
row.push((&hashes[i], &hashes[i + 1]));
i += 2
}
// duplicate the last element if len is not even
if hashes.len() % 2 == 1 {
let last = &hashes[hashes.len() - 1];
row.push((last, last)); //如果元素是奇數個數，將最後一個元素複製一份，自己與自己配對
}
// 一層一層的遞迴計算，一直到只有最後一個根雜湊值
let res: Vec<_>;
// Only compute in parallel if there is enough work to benefit it
if row.len() > 250 {
res = row.par_iter().map(|x| merkle_node_hash(&x.0, &x.1)).collect();
} else {
res = row.iter().map(|x| merkle_node_hash(&x.0, &x.1)).collect();
}
merkle_root(&res)
// 這裡不用擔心遞迴的深度，其一，比特幣區塊大小有限，限制了交易數量；其二，是因為Merkle tree是類似二叉樹的結構，遞迴計算次數為log(n)，即使n非常大，遞迴次數也很小。
}
/// Calculate merkle tree node hash
pub fn merkle_node_hash<T>(left: T, right: T) -> H256 where T: AsRef<H256> {
dhash256(&*concat(left, right)) //雙SHA-256雜湊運算
}
#[inline]
fn concat<T>(a: T, b: T) -> H512 where T: AsRef<H256> { //將2個雜湊值並在一起
let mut result = H512::default();
result[0..32].copy_from_slice(&**a.as_ref());
result[32..64].copy_from_slice(&**b.as_ref());
result
}Transaction
Rust實現版本定義如下：
pub struct Transaction {
pub version: i32, //協議版本，明確這筆交易參照的規則協議
pub inputs: Vec<TransactionInput>, //輸入列表
pub outputs: Vec<TransactionOutput>, //輸出列表
pub lock_time: u32, //鎖定時間
}可以看到，交易中最重要的是輸入列表和輸出列表，說明這次比特幣轉賬時比特幣的來源和轉賬去向。
Rust版本實現輸入列表定義：
pub struct TransactionInput {
pub previous_output: OutPoint, //上一筆交易輸出
pub script_sig: Bytes, //解鎖指令碼
pub sequence: u32, //序列號
pub script_witness: Vec<Bytes>, //見證指令碼
}
/** An outpoint - a combination of a transaction hash and an index n into its vout */
pub struct OutPoint {
pub hash: H256, //交易ID
pub index: u32, //輸出索引，表明是交易中的第幾個輸出
}上面這個OutPoint定義如何沒有理解的話，可參考下圖進行理解：
Rust版本實現輸出列表定義：
pub struct TransactionOutput {
pub value: u64, //輸出金額
pub script_pubkey: Bytes, //鎖定指令碼，對於一個比特幣交易來說，交易本身是不用關心輸出的地址，交易只需要關心鎖定指令碼，當使用的時候能使用正確的解鎖指令碼即可動用比特幣。
}更多請參考我的另一篇博文比特幣交易。
參考文件
Bitcoin Developer Reference
parity-bitcoin