浅析比特币中的数据结构

block chain

​ 从整体上看，block chain是由哈希指针连成的链表。如图所示，除了创世纪块以外，每一个区块都有指向上一个区块的哈希指针，同时最新产生的区块也会有一个哈希指针指向他，只是还未被记录到下一个区块中。

​ 值得一提的是，指向一个区块的哈希值由在此之前的所有区块共同作用。之所以说是“在此之前的所有区块共同作用”，是因为每个区块的block header都会存储上一个区块的哈希值，而计算区块的哈希值又需要整个block header的参与，上一个区块的哈希值自然包含在里面。

​ 因此，只要某一个区块发生了篡改，后续的所有区块的哈希值都需要进行相应的修改，才能使得哈希指针能够对上。这个数据结构的好处是，只要存储最后一个哈希指针，就能检测前面所有的区块是否被篡改过，这是区块链不可篡改性的基石。

block body

​ 顾名思义，block body是每一个区块的身体部分，它存储了由矿工打包的一些交易。整体上看，block body是由一课Merkle Tree构成的。

​ Merkle Tree，构成block body的数据结构。类似二叉树，但是这里的指针是哈希指针而非普通的指针。block body需要存储每一笔交易的具体内容，这些交易的具体内容都存储在Merkle Tree的叶子节点中。而每一个叶子节点都会生成哈希，兄弟节点之间的哈希会再进行一次哈希，生成父节点的值，以此类推，最终生成一个根哈希值（root hash），存储在block header中。

​ 这种数据结构有什么好处呢？首先，我们只要存储一个root hash就能判断每一笔交易（即叶子节点）是否被篡改，这并不难理解。

​ 其次，我们可以进行所谓的Merkle Proof，即证明某一笔交易是否被写到区块链中。在比特币这个去中心化的世界中，每个设备都是一个节点。挖矿的矿工属于全节点，他们的设备上存储了从创世纪块到现在的所有区块的block header与block body。而比特币钱包属于轻节点，与全节点不同的是，轻节点只存储block header，而不存储block body。前面说到，root hash会存储在block header里面，因此轻节点拥有root hash的内容。当你使用比特币钱包做了一次转账，轻节点（比特币钱包）需要检查转账是否被写在区块链里面，那么钱包会向全节点发起一次请求，由全节点返回对应路径上的哈希（如上图所示，如果想要检查a交易是否被写到区块里面，那么全节点会返回H(b)与H(H(c), H(d))），这样轻节点就可以在O(logN)的时间复杂度内算出root hash，检查其与本地存储的block header里面存储的信息是否一致，如果一致，则证明交易已经被存储到区块中。

block header

block header里面并没有亮眼的数据结构，但它存储的信息仍然十分重要，我们不妨看看：

这是来自https://www.blockchain.com/btc/block的区块链信息，是7分钟前刚被矿工挖到的一个区块。可以看到里面存储了很多信息，比如我们前面提到的，整个区块链的哈希，以及Merkle root的哈希，还有出块的时间、挖矿得到的比特币奖励、矿工小费、协议版本等信息。

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