比特币区块结构解析
2018-03-25 本文已影响64人
DavieKong
前言
本文主要具体分析一个区块的值，通过逐字节分析，找出与比特币区块字段对应的部分，我们就可以加深对比特币区块的了解。
准备工作
我们在https://webbtc.com网站上查询区块哈希值为00000000d1145790a8694403d4063f323d499e655c83426834d4ce2f8dd4a2ee的区块，查询到该区块的json格式信息和十六进制格式信息。
json格式信息：
{
"hash": "00000000d1145790a8694403d4063f323d499e655c83426834d4ce2f8dd4a2ee",
"ver": 1,
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"time": 1231731025,
"bits": 486604799,
"nonce": 1889418792,
"n_tx": 2,
"size": 490,
"tx": [
{
"hash": "b1fea52486ce0c62bb442b530a3f0132b826c74e473d1f2c220bfa78111c5082",
"ver": 1,
"vin_sz": 1,
"vout_sz": 1,
"lock_time": 0,
"size": 134,
"in": [
{
"prev_out": {
"hash": "0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000",
"n": 4294967295
},
"coinbase": "04ffff001d0102"
}
],
"out": [
{
"value": "50.00000000",
"scriptPubKey": "04d46c4968bde02899d2aa0963367c7a6ce34eec332b32e42e5f3407e052d64ac625da6f0718e7b302140434bd725706957c092db53805b821a85b23a7ac61725b OP_CHECKSIG"
}
],
"nid": "c56705435de47674259d6c92125907645d4fb512fa8e7f31457f5f29ba983d80"
},
{
"hash": "f4184fc596403b9d638783cf57adfe4c75c605f6356fbc91338530e9831e9e16",
"ver": 1,
"vin_sz": 1,
"vout_sz": 2,
"lock_time": 0,
"size": 275,
"in": [
{
"prev_out": {
"hash": "0437cd7f8525ceed2324359c2d0ba26006d92d856a9c20fa0241106ee5a597c9",
"n": 0
},
"scriptSig": "304402204e45e16932b8af514961a1d3a1a25fdf3f4f7732e9d624c6c61548ab5fb8cd410220181522ec8eca07de4860a4acdd12909d831cc56cbbac4622082221a8768d1d0901"
}
],
"out": [
{
"value": "10.00000000",
"scriptPubKey": "04ae1a62fe09c5f51b13905f07f06b99a2f7159b2225f374cd378d71302fa28414e7aab37397f554a7df5f142c21c1b7303b8a0626f1baded5c72a704f7e6cd84c OP_CHECKSIG",
"next_in": {
"hash": "ea44e97271691990157559d0bdd9959e02790c34db6c006d779e82fa5aee708e",
"n": 0
}
},
{
"value": "40.00000000",
"scriptPubKey": "0411db93e1dcdb8a016b49840f8c53bc1eb68a382e97b1482ecad7b148a6909a5cb2e0eaddfb84ccf9744464f82e160bfa9b8b64f9d4c03f999b8643f656b412a3 OP_CHECKSIG",
"next_in": {
"hash": "a16f3ce4dd5deb92d98ef5cf8afeaf0775ebca408f708b2146c4fb42b41e14be",
"n": 0
}
}
],
"nid": "a1629e004eb3d703ecf3807f976e402a626d84c559f8eab1450adf207619f319"
}
],
"mrkl_tree": [
"b1fea52486ce0c62bb442b530a3f0132b826c74e473d1f2c220bfa78111c5082",
"f4184fc596403b9d638783cf57adfe4c75c605f6356fbc91338530e9831e9e16",
"7dac2c5666815c17a3b36427de37bb9d2e2c5ccec3f8633eb91a4205cb4c10ff"
],
"next_block": "00000000c9ec538cab7f38ef9c67a95742f56ab07b0a37c5be6b02808dbfb4e0"
}
十六进制格式信息：
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
区块整体结构
一个完整的区块结构主要由以下几部分构成：
| 字节 | 字段 | 说明 |
|---|---|---|
| 4 | 区块大小 | 用字节表示的该字段之后的区块大小 |
| 80 | 区块头 | 组成区块头的几个字段 |
| 1-9 | 交易计数器 | 该区块包含的交易数量，包含coinbase交易 |
| 不定 | 交易 | 记录在区块里的交易信息，使用原生的交易信息格式，并且交易在数据流中的位置必须与Merkle树的叶子节点顺序一致 |
比特币的区块大小目前被严格限制在1MB以内。4字节的区块大小字段不包含在此内。
区块头信息分析
我们首先分析前80字节的区块头信息：
0100000055bd840a78798ad0da853f68974f3d183e2bd1db6a842c1feecf222a00000000ff104ccb05421ab93e63f8c3ce5c2c2e9dbb37de2764b3a3175c8166562cac7d51b96a49ffff001d283e9e70
区块头结构1：
| 字节 | 字段 | 说明 |
|---|---|---|
| 4 | 版本 | 区块版本号，表示本区块遵守的验证规则 |
| 32 | 父区块头哈希值 | 前一区块的哈希值，使用SHA256(SHA256(父区块头))计算 |
| 32 | Merkle根 | 该区块中交易的Merkle树根的哈希值，同样采用SHA256(SHA256())计算 |
| 4 | 时间戳 | 该区块产生的近似时间，精确到秒的UNIX时间戳，必须严格大于前11个区块时间的中值，同时全节点也会拒绝那些超出自己2个小时时间戳的区块 |
| 4 | 难度目标 | 该区块工作量证明算法的难度目标，已经使用特定算法编码 |
| 4 | Nonce | 为了找到满足难度目标所设定的随机数，为了解决32位随机数在算力飞升的情况下不够用的问题，规定时间戳和coinbase交易信息均可更改，以此扩展nonce的位数 |
区块头信息与实际信息对照：
说明：
- 版本、父区块头哈希值和Merkle根采用的是小端格式编码，即低有效位放在前面。
- 时间戳表示的是自1970年1月1日0时0分0秒以来的秒数，1231731025秒转为十六进制值为0x496AB951，然后采用小端格式编码表示为0x51b96a49。
- 难度目标486604799转化为十六进制值为0x1d00ffff，该值采用小端格式编码。而当前区块的难度值0x1d00ffff需要采用一种特殊的编码方式才能正确转化为目标哈希值。
- 随机数nonce表示的随机数值转化为十六进制为0x709E3E28，然后采用小端格式编码表示为0x283e9e70。
交易整体结构
接下来我们分析交易信息：
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
交易信息前面几个字节表示的是该区块包含的交易数量，coinbase交易也计入在内。交易数量类型采用的是一种压缩尺寸的变长整型。我们可以看出第一个字节是0x02，这就说明本区块只有2个交易：一个Coinbase交易和一个普通交易。接下来我们将分别分析Coinbase交易和普通交易信息。
Coinbase交易信息分析
一个区块第一个交易规定为coinbase交易。
Coinbase交易结构为：
| 字节 | 字段 | 描述 |
|---|---|---|
| 4 | 版本 | 这笔交易参照的规则 |
| 1-9 | 输入计数器 | 包含的交易输入数量 |
| 32 | 交易哈希 | 不引用任何一个交易，值全部为0 |
| 4 | 交易输出索引 | 固定为0xFFFFFFFF |
| 1-9 | Coinbase数据长度 | coinbase数据长度 |
| 不定 | Coinbase数据 | 在V2版本的区块中，除了需要以区块高度开始外，其它数据可以任意填写，用于extra nonce和挖矿标签 |
| 4 | 顺序号 | 值全部为1，0xFFFFFFFF |
| 1-9 | 输出计数器 | 包含的交易输出数量 |
| 8 | 总量 | 用聪表示的比特币值 |
| 1-9 | 锁定脚本大小 | 用字节表示的后面的锁定脚本长度 |
| 不定 | 锁定脚本 | 一个定义了支付输出所需条件的脚本 |
| 4 | 锁定时间 | 一个区块号或UNIX时间戳 |
Coinbase交易信息与实际信息对照：
[图片上传失败...(image-7304fc-1521950785413)]
说明：
- 版本采用小端格式编码。
- Coinbase交易没有交易输入，也就是说它不引用任何一个UTXO，它所引用的交易哈希只是一个256位的0，表示引用为空。
- 交易输出索引也是固定值，为0xffffffff，转化为十进制值为4294967295。
- Coinbase数据采用大端格式编码。
- Coinbase交易只有一个特殊的“交易输入”和一个交易输出，均采用变长整型来表示。
- 输出总量为50亿聪的比特币，转化为十六进制为0x12A05F200，将其扩充为8字节，变为0x000000012A05F200，之后采用小端格式表示。
- 锁定脚本共有67个字节。开头的41含义，表示要将接下来的65个字节压入堆栈。最后一个字节的16进制数值，ac，表示的是OP_CHECKSIG。
- 最后的锁定时间为0，表示立即执行。
普通交易信息分析
剩余的信息就是一个普通交易信息：
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
普通交易结构为：
| 字节 | 字段 | 描述 |
|---|---|---|
| 4 | 版本 | 明确这笔交易参照的规则 |
| 1-9 | 输入计数器 | 包含的交易输入数量 |
| 不定 | 输入 | 一个或多个交易输入 |
| 1-9 | 输出计数器 | 包含的交易输出数量 |
| 不定 | 输出 | 一个或多个交易输出 |
| 4 | 锁定时间 | 一个区块号或UNIX时间戳 |
普通交易输入为：
| 字节 | 字段 | 描述 |
|---|---|---|
| 32 | 交易哈希值 | 指向被花费的UTXO所在的交易的哈希指针 |
| 4 | 输出索引 | 被花费的UTXO的索引号，第一个是0 |
| 1-9 | 解锁脚本大小 | 用字节表示的后面的解锁脚本长度 |
| 不定 | 解锁脚本 | 满足UTXO解锁脚本条件的脚本 |
| 4 | 序列号 | 目前未被使用的交易替换功能，设为0xFFFFFFFF |
普通交易输出为：
| 字节 | 字段 | 描述 |
|---|---|---|
| 8 | 总量 | 用聪表示的比特币值 |
| 1-9 | 锁定脚本大小 | 用字节表示的后面的锁定脚本长度 |
| 不定 | 锁定脚本 | 一个定义了支付输出所需条件的脚本 |
普通交易信息与实际信息对照：
[图片上传失败...(image-3d79b3-1521950785413)]
说明：
- 版本号、交易哈希值采用小端格式编码。
- 输入计数器、输出计数器、解锁脚本大小和锁定交易大小均采用变长整型值。
- 输出索引为0，这表明该输入引用的UTXO是交易
0437cd7f8525ceed2324359c2d0ba26006d92d856a9c20fa0241106ee5a597c9的第一个输出。 - 解锁脚本大小为0x48，则说明后面有72字节的解锁脚本。
- 解锁脚本开头的0x47表示现将后面的71个字节压入堆栈。
- 本交易共有两个输出，第一个输出总量为10亿聪，转化为十六进制值为0x000000003B9ACA00，最后采用小端格式编码。同理可得第二个输出总量为40亿聪，转化为十六进制值为0x00000000EE6B2800，最后采用小端格式编码。
- 第一个交易的锁定脚本大小十六进制值为0x43，这说明后面有67个字节的锁定脚本。
- 第一个锁定脚本开头的0x41表示将接下来的65个字节压入堆栈。而结尾的0xac表示OP_CHECKSIG。
- 第二个交易与第一个交易同理分析。
- 最后锁定时间为0，表示立即执行。
