译 block header

By Copernicus at: 2018-03-12

block headers 以 80 字节的格式进行序列化，然后作为比特币工作量验证算法的一部分进行哈希处理，使序列化头部格式成为共识规则的一部分。

bytes name 数据类型 描述
4 version int32_t block version 指示要遵循哪一组块验证规则
32 previous block header hash char[32] SHA256(SHA256()) hash，以前面 block 的 header 的内部字节顺序排列。这确保在不改变该块的头部的情况下不能改变先前的块。
32 merkle root hash char[32] SHA256(SHA256()) 是按照内部字节排序的hash。 merkle root 源自该块中包含的所有交易的hash值，确保在不修改头部的情况下不会修改这些交易。
4 time uint32_t 块时间是矿工开始散列头部时的 Unix 纪元时间（根据矿工）。 必须严格大于前 11 个 block 的平均时间。 根据其时钟，全节点将不会接受超过两个小时的 headers。
4 nBits uint32_t 此块的 header hash 的目标阈值的编码版本必须小于或等于。
4 nonce uint32_t 任意数量的矿工都可以修改头部 hash 来确保能够产生小于或等于目标阈值的hash。 如果所有32位值都经过测试，则可以更新时间或更改 coinbase 交易并更新 merkle 根。

哈希按内部字节顺序排列; 其他值都是小端顺序。

block header的消息示例如下：

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02000000 ........................... Block version: 2

b6ff0b1b1680a2862a30ca44d346d9e8
910d334beb48ca0c0000000000000000 ... Hash of previous block's header
9d10aa52ee949386ca9385695f04ede2
70dda20810decd12bc9b048aaab31471 ... Merkle root

24d95a54 ........................... Unix time: 1415239972
30c31b18 ........................... Target: 0x1bc330 * 256**(0x18-3)
fe9f0864 ........................... Nonce

Block Versions

  • Version 1：在创世区块中被引入(January 2009)
  • Version 2：在Bitcoin Core 0.7.0 (2012年9月) 中通过软分叉被引入。如BIP34所述，有效的 version2 block 需要 block height parameter in the coinbase。 在BIP34中还描述了拒绝某些块的规则; 根据这些规则，Bitcoin Core 0.7.0及更高版本在 block height 为224,412 处开始拒绝在 coinbase 中没有 version2 的 block height，并在块高度为 227,930 的三周后开始拒绝新生成的 version1 的块。
  • version3：在Bitcoin Core 0.10.0 (2015年2月) 中通过软分叉被引入。当 fork 达到全面执行（2015年7月）时，它需要严格按照 BIP66 中所描述的对新块中的所有ECDSA签名进行DER编码。 自从Bitcoin Core 0.8.0（2012年2月）以来，不使用严格DER编码的交易是非标准的。
  • version4：在 BIP65 中指定并在 Bitcoin Core 0.11.2（2015年11月）中引入的区块，通过软分叉开始启动（2015年12月）。这些块现在支持该BIP中描述的新OP_CHECKLOCKTIMEVERIFY操作码。

用于 version2、3 和 4 升级的机制通常称为 IsSuperMajority()，该功能添加到 Bitcoin Core 中以管理这些软分支更改。有关此方法的完整说明，请参阅BIP34。

Merkle Trees

merkle root 是使用此块中所有交易的TXID构建的，但首先需要按照共识规则的要求排列TXID：

  • coinbase 交易的 TXID 总是排在第一位。
  • 此块中的任何输入都可以使用同时出现在此块中的输出（假设花费是有效的）。但是，对应于输出的 TXID 必须放置在与输入对应的TXID之前的某个点。 这可以确保整个区块链的交易在输入之前都有与之对应的输出。

如果一个块只有一个 coinbase 交易，coinbase TXID将会被用作merkle root 的hash。

如果一个块只有一个 coinbase 交易和一个其他交易，那么这两个交易的TXID按顺序排列，连接成64个原始字节，然后 SHA256(SHA256()) hash在一起最终形成 merkle root。

如果一个块有三个或更多的交易，则会形成中间的Merkle树行。 TXID按顺序排列并配对，从coinbase交易的TXID开始。 每个对连接在一起作为64个原始字节和 SHA256(SHA256()) hash 形成第二行 hash。 如果有一个奇数（非偶数）的TXID，则将最后一个TXID与其自身的副本连接并进行hash。 如果第二行中有两个以上的hash，则重复该过程以创建第三行（并且，如有必要，可以进一步重复以创建附加行）。 一旦获得一行只有两个hash值，这些hash值被连接并哈希来产生merkle root。

上面逻辑有点绕，我们通过一张图来直观感受一下：
merlke.png

串联时，TXID和中间hash总是以内部字节顺序排列，并且当它放入block header时，生成的merkle root也按照内部字节顺序排列。

Target nBits

target threshold 是一个256位无符号整数，header hash 必须等于或低于该header 才能成为块链的有效部分。 然而，header 字段 nBits仅提供32位空间，因此目标号码使用一些称为“紧凑”的精确格式，其工作方式类似于科学记数法的基本256版本：

nBits.png

作为一个 base-256 的数字，nBits可以像字节一样快速地解析，这与解析10进制科学记数法中的小数相同：

serailize.png

尽管 target threshold 应该是一个无符号整数，但原始 nBits 实现继承了已签名数据类的属性，如果设置了有效数的高位，则target threshold为负值。 这是无用的 - header hash被视为无符号数，因此它永远不会等于或低于负目标阈值。 Bitcoin 以两种方式处理这个问题：

  1. 在解析nBits时，Bitcoin 将负目标阈值转换为零目标，该header hash可以等于（理论上至少）。
  2. 当为nBits创建一个值时，Bitcoin 会检查它是否会产生nBits，这会被解释为负值; 如果是这样，它将有效位数除以256，并将指数增加1以产生具有不同编码的相同数字。

难度1，允许的最小难度，在mainnet和当前testnet上由nBits值0x1d00ffff表示。 Regtest模式使用不同的难度值1-0x207fffff，uint32_max以下可以编码的最高值; 这允许在regtest模式下几乎立即构建块。

Serialized Blocks

根据当前的共识规则，除非序列化大小小于或等于1 MB，否则块无效。下面介绍的所有字段均按序列化的大小计算

bytes name 数据类型 描述
80 block header block_header block header 部分中描述的格式。
Varies txn_count compactSize uint 此区块中的交易总数，包括coinbase交易。
Varies txns raw transaction 此块中的每笔交易都是原始交易格式。交易必须与他们的TXID出现在merkle树的第一行中相同的顺序出现在数据流中。

在一个区块中的第一笔交易必须是一个coinbase交易，该交易应收集并消费本区块交易支付的任何交易费用。

block height低于6,930,000的所有 block 都有权获得新创建的比特币价值的区块补贴，这也应该用于coinbase交易。 （区块补贴从50比特币开始，每210,000块减半 - 大约每四年一次，截至2017年11月，为12.5比特币。）

交易费和区块补贴一起被称为区块奖励。如果它试图花费比块奖励可用的更多价值，则coinbase交易是无效的。

本文由copernicus 团队 冉小龙 翻译，转载无需授权！