区块链技术之哈希指针

Posted 2021-10-06 Candy链上笔记

hello，大家好，我们第三期的区块链技术分享来啦，那么话不多说，我们开始吧。

提起区块链，大家可能都会提到：不可篡改。但是为什么区块链不可篡改呢？

 

先给出答案，这与区块链的数据结构哈希指针和默克尔树有关。那么我们今天先分享哈希指针相关的内容。

1. 那些年学过的链表

区块链，顾名思义也是链，学过计算机数据结构的朋友都知道，数据结构里面有一种就是链表。那么区块链是什么链表？

结构体和链表属于计算机专业的基础课程。但是工作久了，提起来可能大家反应都是：

要理解链表，我们用一个简单的例子来说明，假设你在北京、西安、上海、杭州分别有一套房。

 

但是你只有北京房子的地址，剩下房子的地址分别在其他房间中放着。

你根据北京房子的地址找到北京的房子，知道了北京房子的情况，而且里面有一张条，放着上海房子的地址；同样，你根据这个地址，找到上海的房子，也看到了上海房子的情况，并且还有一张条，放着西安房间的地址；以此类推，直到你找到了杭州的房子，是你的最后一套房子，那么存地址的那张条上就为空。

上面的例子就是链表中单链表的例子。

链表通过指针在不连续的内存空间进行跳转，以此实现可动态扩展的特性。

在上面的例子里面，存储下一个房子地址的纸条就是指针，代表下一个房子所在的地址；

不连续的空间大家很好理解，就像你的房子在北京、上海、西安、杭州一样，地理位置是不连续的。

链表不可随机访问，只能顺序访问。

从上面的例子也能看到，你只能从北京的房间开始访问，因为你手里只有北京的地址。

普通的指针，指向的是结构体在内存中的地址。

那么区块链中用到的哈希指针是什么意思呢？既然是指针，肯定是地址，那么哈希指针除了要保存结构体的位置之外，还要保存结构体的哈希值。

如果不了解哈希，可以看一下这篇文你的密码安全吗？ | 区块链技术之哈希

2.哈希指针和哈希链表

那么为什么要使用哈希指针呢？

最主要的作用，除了能找结构体，还能够防止被指向地址内的数据被篡改。

用哈希指针连接的链表，叫哈希链表（hash list）。

还是用你的那四套房举例子。北京、上海、西安、杭州。

比如一个正常的哈希链表就好比上面这张图，由四个节点组成。

节点4的地址可以是随便的，因为他后面已经没有节点了，

节点4也就是杭州房子的节点跟数据组合后，计算出哈希值，把这个哈希值就赋值给节点3即西安的房子，这样西安房子节点中的地址就指向了节点4杭州的房子；

同样节点3也就是西安房子的节点跟数据组合后，计算出哈希值，把这个哈希值就赋值给节点2即上海的房子，这样上海房子节点中的地址就指向了节点3西安的房子；

同理节点2也一样；

接着，节点1跟数据组合后，再计算出哈希值，把这个哈希值赋值给北京房子的地址，北京房子的地址就指向了节点1。

这样子北京房子的地址作为入口被公布出去，以后想知道自己的亿万家产，只要拿到北京房子的地址就可以了。

 

由于你太有钱了，有坏人想利用你记性不好的特点，把你某个房子的信息篡改了。

1. 改了节点3西安房子的数据：西安改为阿拉伯，我们把节点3中被篡改的数据标识出来，

2. 因为之前的节点2中西安房子的地址是通过节点3跟没有被篡改过的数据计算出来的，那数据改了后，为了让节点2中西安房子的地址再指向节点3，就需要再次计算节点2中西安房子的地址，这样西安房子的地址就发生变化了，我们把西安房子的地址标识出来；

3. 以此类推节点1中上海房子的地址也发生了变化，我们也标识出来；

4. 上海房子的地址发生变化后，因为旧的北京房子的地址是通过老的上海房子的地址和节点1数据计算出来的，那 上海房子的地址发生变化了，为了让北京房子的地址能指向节点1，就需要再次计算北京房子的地址，这样北京房子的地址也发生变化了，我们把北京房子的地址标识出来。

所以看到因为改了节点3中的数据，导致西安房子的地址，上海房子的地址，北京房子的地址都发生了变化。

这样子新的北京房子的地址作为入口被公布出去，你发现新的地址跟你之前的地址不一样了，那么事大了，你的信息被篡改了。

这就是哈希链表。

3. 区块链的数据结构

区块链就是用哈希指针链接起来不同的区块组成的链。

接第二部分，上图是一个小型的区块链，第一个区块是由系统产生的，叫做创世纪块。第一个区块链中有前一个区块的地址H(0)，第二个区块中前一个区块的地址H(1)，指向区块1，第三个区块是最新产生的区块，里面有指向区块2的地址H(2)，同样，区块3的地址也会存在系统中。

根据第二部分的哈希指针的特点，当某一个区块中的信息被篡改了，那么其后所有区块都要被修改。

但其实每个区块的信息远比上面要复杂。

 

每个区块由区块头（head）和区块主体（body）组成。

区块头存储结构化的数据，大小是80字节；

而区块主体利用一种神奇的树状结构，记录区块挖出的这段时间里所有交易信息，所需空间比较大。

平均来讲，假设一个区块内有400笔交易信息，区块主体可能比区块头大1000倍以上。

把每个区块展开表示，那么区块的信息如上图：

版本号：用来标识参照的规则的。软件系统都是不断迭代和进化的，就像我们的android和ios系统的版本号一样。

前一区块哈希值：也称“父区块哈希值”，这个哈希值通过对前一个区块的区块头数据进行哈希计算（SHA256算法）得出，它的意义在于：每个新挖出的区块都按秩序接在前一个区块的后面。

默克尔根：在区块主体中，所有交易信息先进行两个一组的哈希计算，这种结构叫做Merkle树（Merkle Tree），而且是一棵倒挂的树。叶子节点存储的是交易，往上都存储的是哈希值。

时间戳：记录这个区块生成的时间，精确到秒。每诞生一个新的区块，就会被盖上相应的时间戳，这样就能保证整条链上的区块都按照时间顺序进行排列。

难度值：挖出该区块的难度目标。中本聪设计比特币时，加入挖矿难度调整机制是为了使得比特币出块时间能理想的恒定在 10 分钟左右。

比特币协议规定每隔 2016 个区块，将根据过去最近 2016 个区块出块总时间调整，自动调整下一个 2016 个区块的挖矿难度。理想情况下 2016 个块需要两周（2016*10s）时间，如果实际用时不到两周则增加难度，如果超过两周就降低难度。

随机数：挖矿就是找到一个随机数（Nonce）参与哈希运算Hash（Block Header），使得最后得到的哈希值符合难度要求。

比特币通过挖矿的方式，来竞争新区块的记账权。谁拿到新区块的记账权，它创建的新区块就合法。挖矿的目的就是赢取记账权，确认新区块和交易。

 

 

今天的关键词主要是链表、指针、哈希指针、哈希链表，区块链。下期我们分享默克尔树，也就是merkle tree。

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