我們通過前面幾期的學習，基本對區(qū)塊鏈網(wǎng)絡中各節(jié)點的外部協(xié)作有了一個宏觀認識，接下來將從更加微觀的角度開始學習區(qū)塊鏈。
你有沒有思考過區(qū)塊鏈中每個區(qū)塊內(nèi)部是什么樣的呢？全網(wǎng)如此復雜的數(shù)據(jù)它會怎么去存儲的呢？
本期就帶你一探究竟！
一、區(qū)塊鏈的總體結(jié)構
區(qū)塊鏈之所以叫做區(qū)塊鏈，是因為它真的就是一堆由包含交易信息的區(qū)塊，通過前后首位相接起來的鏈式結(jié)構，每個區(qū)塊都是鏈式結(jié)構中的一節(jié)。
為什么區(qū)塊之間能夠?qū)崿F(xiàn)前后連接的呢？
因為每個區(qū)塊都通過一個數(shù)值（父哈希值，下節(jié)即將解釋）指向前一個區(qū)塊，以此類推，區(qū)塊與區(qū)塊連成一個鏈條，可以一直追溯到創(chuàng)始區(qū)塊。
這又是一個大規(guī)模協(xié)作的例子，每個區(qū)塊只需執(zhí)行自己的簡單的規(guī)則，就能形成一個復雜的系統(tǒng)。
二、一個區(qū)塊的整體結(jié)構
每個區(qū)塊主要包含了兩部分，區(qū)塊頭和區(qū)塊體。區(qū)塊頭主要用來存儲本區(qū)塊的一些相關屬性，區(qū)塊體則用來存儲真實的交易數(shù)據(jù)記錄。
一個區(qū)塊前后分別連接了父區(qū)塊和子區(qū)塊。
三、區(qū)塊體
我們先從區(qū)塊體說起，看看它是如何將交易數(shù)據(jù)進行存儲的。
區(qū)塊體包括當前區(qū)塊經(jīng)過驗證的、 區(qū)塊創(chuàng)建過程中生成的所有交易記錄。這些記錄通過默克爾（ Merkle）樹的哈希過程生成唯一的默克爾，根并記入?yún)^(qū)塊頭。
什么是默克爾根呢？
首先了解一下默克爾（merkle）樹，默克爾樹是一種哈希二叉樹，它是一種用作快速歸納和校驗大規(guī)模數(shù)據(jù)完整性的數(shù)據(jù)結(jié)構。這種二叉樹包含加密哈希值，術語“樹”在計算機學科中常被用來描述一種具有分支的數(shù)據(jù)結(jié)構。
在比特幣網(wǎng)絡中，默克爾樹被用來歸納一個區(qū)塊中的所有交易，同時生成整個交易集合的數(shù)字指紋，且提供了一種校驗區(qū)塊是否存在某交易的高效途徑。
生成一棵完整的默克爾樹需要遞歸地對哈希節(jié)點對進行哈希，并將新生成的哈希節(jié)點插入到默克爾樹中，直到只剩一個哈希節(jié)點，該節(jié)點就是默克爾樹的根。
說人話，默克爾樹可以理解為一顆倒立的樹，這棵樹每個樹杈只能分兩個樹枝出來，最終每個最小樹枝上都會掛兩片葉子。
這里的每片葉子就是一筆交易記錄，每個樹杈的分叉點就是一個哈希值，每個哈希值都是根據(jù)樹杈分出的兩個樹枝的分叉點或者葉子的哈希值計算出來的。
這些這些分叉節(jié)點的哈希值向上一級分叉點匯聚，再進行哈希計算生成一個哈希值。以此類推，最終匯聚到樹根上，這個樹根計算出來的哈希值就是根哈希值。通過這種結(jié)構能夠快速對其中的某筆交易進行定位。
默克爾樹的特點是：底層數(shù)據(jù)的任何變動，都會傳遞到其父親節(jié)點，一直到樹根。
理解了默克爾樹，相信你會對上圖的區(qū)塊體結(jié)構圖有一個更加深刻的認識。
四、區(qū)塊頭
區(qū)塊頭主要由三組數(shù)據(jù)組成，第一組是父區(qū)塊的哈希值，父哈希值用來將該區(qū)塊與它的前一區(qū)塊相連接；第二組數(shù)據(jù)和礦工競爭挖礦有關，即難度、時間戳和Nonce(隨機數(shù)）；第三組是由剛才我們講到的區(qū)塊體中計算出來的根哈希值，即默克爾樹根。
這里要著重了解一個概念，什么是父哈希值？
對區(qū)塊中的區(qū)塊頭的數(shù)據(jù)進行哈希運算會生成一個哈希值，區(qū)塊頭中的任何數(shù)據(jù)改變都會導致這個哈希值改變，所以這個哈希值可以作為這個區(qū)塊獨一無二的標志。
通過這個哈希值就能在區(qū)塊鏈中找到對應的區(qū)塊，而這個哈希值對于連在后面的一個新的區(qū)塊來說就是父哈希值。
這里需要注意的一點是：本區(qū)塊不會存儲自身的哈希值，只存儲它的父區(qū)塊的哈希值，自身的哈希值將會存儲在子區(qū)塊中，作為子區(qū)塊的父哈希值。
因為每個區(qū)塊的區(qū)塊頭中都包含了它的父哈希值，并且只有一個父哈希值（因為區(qū)塊鏈只有一條最長鏈），所以每個區(qū)塊通過它的父哈希值就能一直追溯到創(chuàng)世區(qū)塊（第一個區(qū)塊）。
引入了父哈希的概念不僅將區(qū)塊與區(qū)塊連接到一起，而且還能保證區(qū)塊鏈的不可篡改性。
由于區(qū)塊頭里面包含父區(qū)塊哈希值，所以當前區(qū)塊的哈希值也受到該數(shù)值的影響。如果父區(qū)塊中的數(shù)據(jù)發(fā)生改變，那它的哈希值必然也會改變，導致子區(qū)塊就無法再通過原始父哈希值連接到上一個區(qū)塊。
所以，如果想要改變一個區(qū)塊的數(shù)據(jù)，那就要將它后面的所有區(qū)塊再重新運算一遍。正是因為這樣的重新計算需要耗費巨大的計算量幾乎是無法實現(xiàn)的，進一步保證了區(qū)塊鏈網(wǎng)絡的安全性。
區(qū)塊頭中的第二組數(shù)據(jù)，難度、時間戳和Nonce我會在后面講解挖礦的時候詳細介紹，這里我們只需要知道區(qū)塊頭中包含這些東西就行，方便前期建立整體概念。
五、為什么區(qū)塊要設計成這種結(jié)構
對于區(qū)塊的內(nèi)部結(jié)構基本剖析完了，但你有沒有想過區(qū)塊設計成這種結(jié)構有什么好處嗎？
首先我們要知道區(qū)塊頭是80字節(jié)，而平均每個交易至少是250字節(jié)，而且平均每個區(qū)塊至少包含超過500個交易。因此，一個包含所有交易的完整區(qū)塊體比區(qū)塊頭的1000倍還要大。
區(qū)塊鏈是一個分布式網(wǎng)絡，所以數(shù)據(jù)需要存儲在各個節(jié)點當中，但是比特幣網(wǎng)絡的完整數(shù)據(jù)加起來可能有幾十上百個G，這不是一個普通的終端能夠承受的起的，許多比特幣客戶端被設計成運行在空間和功率受限的設備上。
如：智能電話、平板電腦、嵌入式系統(tǒng)等，它們是沒有辦法存儲比特幣網(wǎng)絡的所有數(shù)據(jù)的，該怎么辦呢？
這個時候就能看到區(qū)塊結(jié)構的高明之處了，比特幣網(wǎng)絡中的很多節(jié)點主要是用來驗證交易的，它們只需要下載區(qū)塊頭，不需要下載包含在每個區(qū)塊中的交易信息就能完成交易驗證。
這樣的不含交易信息的區(qū)塊鏈，大小只有完整區(qū)塊鏈的幾千分之1，大大節(jié)約了終端的使用空間。
正是因為區(qū)塊的內(nèi)部結(jié)構才可以實現(xiàn)一個終端，只需要通過區(qū)塊頭的數(shù)據(jù)就能對某筆交易進行驗證，這就是簡單支付驗證（SPV），這樣的節(jié)點就叫做SPV節(jié)點，具體實現(xiàn)原理將會在下期講解。
六、總結(jié)
區(qū)塊體和區(qū)塊頭的緊密連接，區(qū)塊頭和父子區(qū)塊的前后配合，各個節(jié)點環(huán)環(huán)相扣，實現(xiàn)了一個堅不可摧的鏈條，對比特幣研究的越深，越能體會到它的強大之處，各種巧妙的思想讓人嘆為觀止。
我們不研究代碼，只是從整體設計思想來觀察比特幣區(qū)塊的內(nèi)部結(jié)構，希望這篇文章能讓你看明白。
作者：liheng，區(qū)塊鏈探索者、互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品經(jīng)理，超級個體修煉中，只創(chuàng)作對用戶有價值的內(nèi)容
本文由 @liheng 原創(chuàng)發(fā)布于人人都是產(chǎn)品經(jīng)理。
