《锋哥论道区块链》之四区块链1.0之比特币--区块（block）

1比特币区块整体架构
一个完整的区块结构主要由以下几部分构成：
数据项 字段 字节 描述
Magic NO 魔数 4 常数0xD9B4BEF9
Blocksize 区块大小 4 用字节表示的该字段之后的区块大小
Blockheader 区块头 80 区块头包含六个字段
Transactons counter 交易计数器 1-9 该区块包含的交易数量，包含coinbase交易
Transactions 交易 不定 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
注：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。
2比特币区块头结构
每个区块中包含80byte的区块头，区块头包含六个元素。区块头主要组成部分：
字节数 字段 说明
4 Version 区块版本号，表示本区块遵守的验证规则
32 hashPrevBlock 前一区块的哈希值=SHA256(SHA256(父区块头))
32 hashMerkleRoot 上一个block产生之后至新block生成此时间内所有交易的merkle root的hash值
4 Time 时间戳。自1970年1月1日0时0分0秒以来的秒数。每秒自增一，标记Block的生成时间，同时为block hash探寻引入一个频繁的变动因子
4 Bits 压缩格式的当前目标值（current target in compact format）。可以推算出难度值（difficulty），用于验证block hash难度是否达标
4 Nonce 32bit的随机数（从0开始）。在上面数个字段都固定的情况下，不停地更换该随机数来探寻符合要求的hash值
bits值是压缩存储的当前目标值，仅为4bytes。通过bits得到target的计算公式是 target = coefficient * 256^(exponent – 3)。目标值（target）是一个256bit数（也就是256位的二进制数）。以bits等于0x1903a30c为例（0x代指16进制意义），coefficient是后三个字节：0x03a30c，exponent是第一个字节：0x19。
Bits的具体压缩过程：
（1）将数字转换为256bit数（或者说长度为64（每一个十六进制相当于4bit的二进制）的十六进制）
（2）如果第一位数字大于127(0x7f),则前面添加一个字节长度的零：00
（3）压缩结果中的第一位存放该十六进制数的位数
（4）后面三个数存放该十六进制数的前三位，如果不足三位，则后面补零
例1:将数字1000压缩。
（1）先转换为长度为64的16进制数（256bit二进制数）
1000 = 316^2+e16+8*1
那么是由两个数字构成：
03 e8
（2）第一个数未超过0x7f,则不需填0；
（3）从（1）16进制的表示中可以看出位数（按字节计算位数）为2，即0x02；
（4）但长度两位低于三位，在后面补零，最终表示为：0x0203e800 。
例2：创世区块中的bits为0x1d00ffff，对应的数值为2^(256-32)-1。
（1）将2^(256-32)-1转换为16进制（256bit数）
ff ff ff ff ff ff ff ff ff ff ff ff ff ff ff ff ff ff ff ff ff ff ff ff ff ff ff ff --总共56个十六进制的f，每个f对应1111，相当于28byte长度
（2）第一位已经超过0x7f,前面添加一个字节长度的零：
00 ff ff ff ff ff ff ff ff ff ff ff ff ff ff ff ff ff ff ff ff ff ff ff ff ff ff ff ff
（3）现在长度为28+1=29 (0x1d),则最终压缩结果为：0x1d00ffff。此时出现精度缺失，后面的26个ff 被丢弃了，因为总共才4字节，前两字节已经被长度和添加的0所占用，只剩下2个字节来存储数字。如果我们将压缩结果0x1d00ffff解压，会是原值吗? 实际结果为：
0x00ffff *256^(0x1d - 3)
=ffff0000000000000000000000000000000000000000000000000000
而此数为比特币的最大Target值，此时难度最小为1。将其结果前面添加4个字节长度的0，其结果为：
0x00000000FFFF0000000000000000000000000000000000000000000000000000 --共64个
此最小难度值1，在矿机上一般使用保留尾部的FF，则为：

0x00000000FFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFF
称上面数字为pool difficulty 1（矿池难度1），矿池难度简称pdiff。而比特币客户端表示如此精度，也许是困难的，所以不保留尾部的FF,则结果为：
0x00000000FFFF0000000000000000000000000000000000000000000000000000
此值，在客户端上称之为bdiff。
3区块难度（difficulty）
通过上面的分析，在区块中并没有存放难度（difficulty）这个指标。
区块难度，是用来衡量挖出一个区块平均所需要的运算次数，反映了在一定难度下用多长时间才能挖到一定数量的区块，也是矿工挖矿时重要的参考指标。数据区块产生的难易程度是由难度值（difficulty）来衡量的。
在创世区块中，bits值为0x1d00ffff，根据公式计算可得target为：0x00000000ffff0000000000000000000000000000000000000000000000000000，其中前32bit为0。我们以创世区块的target为参照物，同时定义创世区块的difficult为1，其余的区块的difficult计算公式为：当前区块difficult = target创世区块/target_当前区块。由此可见，当前区块的target值越小，区块的difficult越大，也就是难度越高。
根据difficult的计算公式进一步推算（近似。）：difficult = 0xffff2^208/(2256/2^{x),其中x为当前区块target前导0的个数。于是可得2}x = difficult(2^{32)。所以为了打包一个区块，我们需计算哈希值的次数为：difficult*(2}32)。
注：目标值target是一个256bit的数，假设x为当前区块target前导0的个数，则找到一个不超过该target的区块的最大hash次数为2^x, 因为2^{256是最大的hash计算数，2}256/2^x可以用来代指符合条件的区块的目标值。
这里简单的举个例子：现在有一道数学题，已知X是0-99中任意一个数字，求X<100。答案非常简单，该范围内所有的数字都符合要求。再求X<50，那么现在该范围内只有一半的数字符合要求，换句话说，现在的求解难度比之前大了。之前要想求解只需要尝试一次就可以了，现在求解则需要尝试两次，从而我们可得出x<50的难度是x<100的2/1=2倍。同样的，如果让我们求解X<10，难度就是x<100的100/10=10倍。这里的参数100、50、10就相当于是难度值（difficulty），难度值 difficulty的计算公式为：
难度值 = 最大目标值 / 当前目标值
目标值是一个256bit数。最大目标值是一个固定值0x1d00ffff，也就是创世区块的bits。难度值与当前目标值成反比，难度越大，当前目标值（bit）越小，难度越小，当前目标值越大。
目标值是当前区块生成所达成目标值的hash值，用于矿工的工作量证明。矿工挖掘的区块的头部hash值必须小于目标值，难度就符合要求，数据区块才能被挖掘成功。
当前目标值就是对应区块中的bits，可以换算成正常格式。
最大目标值是一个定值，前32位都是0，后面224位全是1，十六进制表示如下：
0x00000000FFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFF
我们也可以将难度值与时间进行换算，这样可以更直观的了解数据区块产生的难度，计算公式如下：
为了打包一个区块，我们需计算哈希值的次数为：difficult(2^32)
一个block产生的时间=难度值(difficult)x2^32/hashrate
注：hashrate是每秒运算的hash数量
数据区块难度是没有最大值的，每产生2016个区块后，数据区块运算难度会调整一次。以比特币为例，平均每隔10分钟会产生一个区块，那么每14天（201610/60/24=14）会调整一次区块难度，在未到调整周期时，区块难度是保持不变的。难度的调整是在每个完整节点中独立自动发生的。每2016个区块，所有节点都会按统一的公式自动调整难度，这个公式是由最新2016个区块的花费时长与期望时长（期望时长为20160分钟即两周，是按每10分钟一个区块的产生速率计算出的总时长）比较得出的，根据实际时长与期望时长的比值，进行相应调整（或变难或变易）。也就是说，如果区块产生的速率比10分钟快则增加难度，比10分钟慢则降低难度。这个公式可以总结为如下形式：
新难度值 = 旧难度值 * ( 过去2016个区块花费时长 / 20160 分钟 )
影响区块难度的因素有很多，这里主要介绍一下难度与算力的关系。区块难度的计算是与算力成正比的，当全网的算力越高时，区块难度就越高，反之当未来算力降低时，区块难度也会随之降低。你可以想象，如果算力突然暴涨，是原来的一倍，那么原本需要14天才能挖完2016块区块，现在只需要7天就能完成，到调整周期时难度增加一倍；如果发生意外，算力损失一半，那么原来14天的工作需要28天才能完成，到调整周期时，难度降低为原来的一半就可以了。因此，我们可以得出结论，区块难度的调整，可以通过算力情况进行自动匹配，当算力增加时，反应调整会加快；当算力降低时，反应调整会缓慢。