比特币源码剖析(四)之核心数据结构

比特币源码剖析(四)之核心数据结构

Bitcoin justnode 10个月前 (03-13) 174浏览

区块的结构

字段	说明	大小
Magic no	魔术字，值为0xD9B4BEF9	4 字节
Blocksize	表示区块的大小，单位是字节	4 字节
Blockheader	包含6个字段:version,hashPrevBlock,hashMerkeRoot,Times,Bits,Nonce	80 字节
Transaction counter	区块中包含的交易数量	1 – 9 字节
transactions	存放交易的列表

CBlock和CBlockHeader类
CBlock继承自CBlockHeader类，其中CBlockHeader类为区块头中的六个字段定义了六个成员变量，CBlock类定义了成员变量vtx，用于保存区块中的transactions。同时CBlock类中定义了BuildMerkleTree方法用来生成默卡尔树。
CBlockHeader类的定义如下所示，该类中包含6个成员变量。

class CBlockHeader
{
public:
    // header
    static const int32_t CURRENT_VERSION=4;
    int32_t nVersion;
    uint256 hashPrevBlock;
    uint256 hashMerkleRoot;
    uint32_t nTime;
    uint32_t nBits;
    uint32_t nNonce;
    CBlockHeader()
    {
        SetNull();
    }
};

CBlock类定义如下：

class CBlock : public CBlockHeader
{
public:
    // network and disk
    std::vector<CTransaction> vtx;
    // memory only
    mutable std::vector<uint256> vMerkleTree;
    CBlock()
    {
        SetNull();
    }
    uint256 BuildMerkleTree(bool* mutated = NULL) const;
    std::vector<uint256> GetMerkleBranch(int nIndex) const;
    static uint256 CheckMerkleBranch(uint256 hash, const std::vector<uint256>& vMerkleBranch, int nIndex);
    std::string ToString() const;
};

交易的结构

字段	描述	大小
Version no	版本号，值总是为1	4 字节
In-counter	input的数量	1 – 9 字节
list of inputs	存放input的列表	不固定
Out-counter	output的数量	1 – 9 字节
list of outputs	存放output的列表	不固定
lock_time	交易的锁定时间	4 字节

CTransaction类是比特币交易的核心类，类的定义如下所示，该类中有两个vector变量vin和vout，分别存放CTxIn和CTxOut类型的数据。其中CTxIn是输入交易，CTxOut是输出交易。

CTransaction类的定义如下所示：

class CTransaction
{
private:
    /** Memory only. */
    const uint256 hash;
    void UpdateHash() const;
public:
    static const int32_t CURRENT_VERSION=1;
    const int32_t nVersion;
    const std::vector<CTxIn> vin;
    const std::vector<CTxOut> vout;
    const uint32_t nLockTime;
    /** Construct a CTransaction that qualifies as IsNull() */
    CTransaction();
    bool IsNull() const {
        return vin.empty() && vout.empty();
    }
    const uint256& GetHash() const {
        return hash;
    }
    bool IsCoinBase() const
    {
        return (vin.size() == 1 && vin[0].prevout.IsNull());
    }
    std::string ToString() const;
};

CTransaction类中变量的组成如下图所示：

scriptSig和scriptPubKey的作用，请参考理解比特币脚本一文

假设有这么一系列交易：

1. 上图的三个交易都是单输入单输出交易
2. 每个『输入交易』『输出交易』中，都包含对应的『脚本』
3. 交易a，Alice转账给Bob；交易b，Bob转账给Carol；交易c，Carol转账给Dave
4. 当前交易的『输入』都引用前一个交易的『输出』，如交易b的『输入』引用交易a的『输出』

按照之前的说法，交易a中的『输出脚本』就是Alice为Bob出的数学题。那么，Bob想要引用交易a『输出交易』的比特币，就要解开这道数学题。题解是在交易b的『输入脚本』里给出的！Bob解开了这道题，获得了奖金，然后在交易b中为Carol出一道数学题，等待Carol来解…

所以说，下图中相同颜色的『输出』和『输入』才是一对题和解：

scriptPubKey和scriptSig的格式如下：

scriptPubKey: OP_DUP OP_HASH160 <pubKeyHash> OP_EQUALVERIFY OP_CHECKSIG
scriptSig: <sig> <pubKey>

验证的时候，scriptSig先把签名和公钥压到栈里，之后OP_DUP复制一份公钥，那么现在栈里就是一个签名，两个公钥。接着用OP_HASH160计算栈顶公钥的hash，再压上一个交易的收款人的公钥hash值到栈，用OP_EQUALVERIFY比较两个hash值，相同就说明这个钱不是你无中生有来的。最后OP_CHECKSIG检查签名，说明这个钱的确是你花出去不是别人花出去的，因为只有有私钥的你才能签名。

下面的步骤形象的展示了验证的过程。每一步中只有一个栈，箭头表示栈状态的变化。

第一步、

第二步、

第三步、

第四步、

第五步、

第四和第五步是用来验证你的公钥是不是出现在别人的vout交易中。如果你的公钥出现在别人的vout中，说明你拥有这部分比特币。

第六步、

这一步是用来验证你的币是你自己花出去的，不是别人花出去的。因为你的公钥只能解密自己私钥加密的内容，而不能解密别人私钥加密的内容。

交易的签名和验证

签名： sign(交易的摘要,发送方私钥) =>  签名

验证：  verify(签名,发送方的公钥) 计算的结果是否等于交易的摘要

交易的发送方对交易进行签名的作用有两个：

1.证明自己认可这笔交易

2.矿工节点需要验证签名和公钥是否匹配，以保证这笔交易是自己花出去的，而不是别人。

参考：https://zhuanlan.zhihu.com/p/25461051

btc_parser

解析比特币的块文件的工具

钱包目录结构

块文件结构

在**.dat文件中，存储了比特币区块链的信息

比特币的块结构如下

大小(字节)	名称	数据类型	描述
4	magic_number	uint32	总是0xD9B4BEF9,作为区块之间的分隔符
4	block_size	uint32	后面数据到块结束的字节数
80	block_header	char[]	block header
varies	transaction_cnt	uint	交易数量
varies	transaction	char[]	交易详情

block header的结构如下

大小(字节)	名称	数据类型	描述
4	version	int32_t	版本号
32	previous_block_hash	char[32]	前一个block的hash值
32	merkle_root_hash	char[32]	区块内所有交易的merkle hash值
4	time	uint32	unix时间戳，矿工挖矿的时间
4	nBits	uint32	该块的标题hash必须小于的值。难度
4	nonce	uint32	随机值，用于产生满足难度的hash值

交易的结构如下

大小(字节)	名称	数据类型	描述
4	version	uint32	交易版本号
varies	tx_in_count	uint	交易输入数量
varies	tx_in	tx_in	交易输入
varies	tx_out_count	uint	交易输出数量
varies	tx_out	tx_out	交易输出
4	lock_time	uint32	锁定时间

交易输入的结构如下

大小(字节)	名称	数据类型	描述
32	previous_output_hash	outpoint	前置交易hash
4	previous_output_index	uint32	前置交易index
varint	script_bytes	uint	解锁脚本长度
varies	signature_script	char[]	解锁脚本
4	sequence	uint32	序列号

交易输出的结构如下

大小(字节)	名称	数据类型	描述
8	value	int64	花费的数量，单位是聪
1+	pk_script_size	uint	pubkey脚本中的字节数量
varies	pk_script	char[]	花费这笔输出需要满足的条件