区块链之所以被称为“区块链”, 是因为它有着和链表类似的结构。构成区块链的基本单位是区块, 每一个区块都保存有前一个区块的哈希值, 通过这种方式, 区块之间就形成了一个链条一样的结构。

区块

区块是区块链的基本构成单元, 构成字段如下表所示:

区块头字段包括： Version、Previous Block、Merkle Root、Time、Bits 和 Nonce。

区块数据由区块头和 Transaction Count 、 Transactions 组成。

以下是区块高度为 1 的区块数据:

该区块仅包含一笔交易。

挖矿

比特币挖矿是指在区块链上添加新区块并获得区块奖励的过程。区块奖励是唯一凭空产生比特币的方式。

挖矿的本质就是在计算区块哈希, 通过不断的调整区块头数据, 试图计算出一个低于目标值的区块哈希值, 只要有足够的算力计算出一个低于目标值的哈希值就可以拥有发布新区块的权利。

目标值是一个固定的数字, 比特币网络最初设定了一个最大目标值, 这使得挖矿非常容易, 出块时间也很短。但为了保证每10分钟出一个区块, 每 2016 个区块(约两周)会调整一次目标值。当最近的 2016 个区块内的平均出块时间小于 10 分钟时, 会减小目标值(增加难度), 反之则增加目标值。

链重组

随着更多矿工的加入或全网算力的提升, 有可能会出现同时挖出两个区块, 假设这两个区块分别叫 A 和 B。

矿工挖出区块向外广播后, 有些比特币节点可能会先收到 A 区块, 其次接收到 B 区块, 此时 A 区块会被加入到节点的本地区块链中, 同时会保留 B 区块。另一些节点也有可能先收到 B 区块再收到 A 区块, 此时 B 区块会被加入到本地区块链中, 同时会保留 A 区块。

因此, 网络上的节点将对这两个区块中哪个属于链的最新区块存在分歧。

但当下一个区块被挖掘时, 这种分歧将得到解决。假设成功挖出下一个区块的矿工节点先收到的是 A 区块, 则会在 A 区块的基础构建新区块。根据最长链的原则, 其他先接收到 B 区块的节点会进行链重组, 将旧活动链中的区块移除, 转而支持构成新较长链的区块。

通过 RPC 方法 getchaintips 可以查看请求的的节点是否经历了链重组。

[
  {
    "height": 860116,
    "hash": "00000000000000000002a29ca4c00f58a4192548535b6cdfdc2edc26811c393c",
    "branchlen": 0,
    "status": "active"
  },
  {
    "height": 856689,
    "hash": "0000000000000000000049ed2a8a4527f8c83192f9ab13fcd5444aed37405cc3",
    "branchlen": 1,
    "status": "valid-fork"
  },
  {
    "height": 853120,
    "hash": "000000000000000000019066a8be0724175e18539db741579622738f1ce1f2ee",
    "branchlen": 1,
    "status": "valid-fork"
  },
  {
    "height": 853051,
    "hash": "000000000000000000007ad9be842fdb143133a8e5353627473006f94bcc086b",
    "branchlen": 1,
    "status": "valid-fork"
  },
  {
    "height": 851248,
    "hash": "00000000000000000001b302a79f8db40c150cdbaccaf43666b1ecfac9560a69",
    "branchlen": 1,
    "status": "valid-fork"
  },
  {
    "height": 849233,
    "hash": "0000000000000000000020ea4b48f075a066131024c242b6f83eb20724c642d1",
    "branchlen": 1,
    "status": "valid-fork"
  },
  {
    "height": 848860,
    "hash": "000000000000000000003f620e65976fc1768e6f81705cc7fdf25cfcb421825a",
    "branchlen": 1,
    "status": "valid-fork"
  },
  {
    "height": 848477,
    "hash": "00000000000000000002ad15f6680bf74febab1020128641fab0da4bdfa5b4bd",
    "branchlen": 1,
    "status": "valid-fork"
  },
  {
    "height": 847849,
    "hash": "0000000000000000000327cda2d3d99ac20342aaaa6986837fbfa8903a7b2196",
    "branchlen": 1,
    "status": "valid-fork"
  },
  {
    "height": 845627,
    "hash": "0000000000000000000011018adf88550ea5d3e90ed0cfba89976aebc4e7f098",
    "branchlen": 1,
    "status": "valid-headers"
  },
  {
    "height": 829613,
    "hash": "0000000000000000000357088139cba6dc295875d7d3b2dd1fd764705727e451",
    "branchlen": 1,
    "status": "valid-fork"
  }
]

• branchlen - 表示竞争区块链中有多少个区块
• status - 表示区块链的状态, 有以下取值:
  • active - 当前的最长链
  • valid-fork - 有效分叉, 但之后收到更长的链, 随后将其停用
  • valid-headers - 分叉有有效的区块头，但是还没有下载和验证完整的区块数据
  • headers-only - 仅有区块头信息的分叉, 节点收到了竞争链的区块头, 但没有下载完整的区块
  • invalid - 至少有一个无效区块的分叉

最长链

比特币的最长链是根据工作量证明(POW)机制来确定的, 即平均计算区块哈希最多次数构建的区块链, 而非包含区块最多的链。

最长链通过链工作量(chainwork) 的指标来衡量。chainwork 表示从创世区块到当前区块所有工作量的总和。

衡量一个区块的工作量, 根据计算区块的哈希值平均次数来确定的。

例如: 创世区块的目标值是

0x00000000ffff0000000000000000000000000000000000000000000000000000

挖矿时每次计算区块哈希值都会得到一个 0 至

0xffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffff

之间的数。

也就是说平均需要执行以下次数才能得到一个小于目标值的哈希值:

0xffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffff /
(0x00000000ffff0000000000000000000000000000000000000000000000000000 + 1)
= 0x0100010001

挖出创世区块平均需要执行 0x0100010001 (4295032833) 次哈希才能获得低于该目标值的结果。因此, 这就是创世区块的实际链工作量。

目标值是每 2016 个区块调整一次, 所以每2016个区块内的每个区块的平均工作量是相同的。

51%攻击

51%攻击是指一个恶意矿工或矿池控制了比特币网络的算力超过 50% 时, 理论上可以操纵区块链, 甚至可以对网络进行双花攻击。

根据最长链原则, 要实现51%攻击, 攻击者需要构建一条比现有链的链工作量(chainwork)更大的链。而在攻击者构建链的过程中, 其他诚实矿工也在不断构建新区块, 因此攻击者需要比诚实矿工更快的速度构建新区块。

假设当前的 chainwork 是 8, 诚实矿工构建新区块的速度是 1, 攻击者构建新区块的速度至少是 2 才能实现 51% 攻击。

在比特币网络中, 51% 攻击是一种理论上的攻击, 但实际上, 由于比特币网络的算力分布非常分散, 要控制 51% 的算力非常困难。

分叉

比特币分叉分为两种

• 硬分叉
• 软分叉

硬分叉

硬分叉发生在对比特币软件进行升级时, 某些协议或规则发生了根本性变化。

如果部分节点更新而其他节点不更新，网络会分裂成两条独立的链。这种情况被称为“硬分叉”。

矿工将分为两个阵营, 一个将继续遵循旧规则产出旧区块, 另一个将遵循新规则产出符合新规则的区块。

对于网络上的节点, 如果未更新比特币软件, 在接收到新区块时, 如果这些新区块是遵循新规则的区块, 在本地验证时会被拒绝。而更新过的节点则会接受这些新区块。这就是为什么会分裂成两条链的原因。

软分叉

软分叉是指对比特币软件进行的升级, 该升级与之前版本的软件兼容。

与硬分叉的区别是:

• 未升级节点可以接收验证新区块
• 不会造成区块链的分叉, 整个网络上仍然是一条链