图解丨区块(Block)的内部结构

区块（Block）是组成区块链的基本单元结构，每个区块由区块头和区块主体组成。区块头存储结构化的数据，大小是80字节，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。

区块链的总体结构

区块链之所以叫做区块链，是因为它真的就是一堆由包含交易信息的区块，通过前后首位相接起来的链式结构，每个区块都是链式结构中的一节。

每个区块都通过一个数值（父哈希值）指向前一个区块，以此类推，区块与区块连成一个链条，可以一直追溯到创始区块。

这又是一个大规模协作的例子，每个区块只需执行自己的简单的规则，就能形成一个复杂的系统。

区块连接图示

区块的整体结构

每个区块主要包含了两部分，区块头和区块体。区块头主要用来存储本区块的一些相关属性，区块体则用来存储真实的交易数据记录。

一个区块前后分别连接了父区块和子区块，如下图：

区块的整体结构

区块的组成

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。虽然区块头比区块主体小，但区块头总归是脑袋，大部分功能其实都由区块头实现。

区块头图示

上图中，区块头部分括号里的数字表示各个数据所占大小，加起来刚好是80字节。

区块头内含的数据

版本号（Version）

用来标识交易版本和所参照的规则。例如安卓8.1，或者iOS11.3，区块也有自己的版本号。

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。

这样挖出新的区块后，才能确认这个区块是跟在一个被各节点验证过的可靠的区块后头。

默克尔根（Merkle Root）

如上图，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。

我们把问题简单化，假设区块主体中有4笔交易信息，分别是交易1，交易2，交易3，交易4。

Merkle树先对每个交易信息进行哈希（Hash）计算，分别得出Hash 1 、Hash 2、Hash 3、Hash 4。

到了第二层，两个一组，也就是说 Hash 1 和 Hash 2 的字符串排排坐，变成2倍长的字符串，然后算出这个字符串的哈希值，我们记做 Hash（1&2）；

Hash 3 和 Hash 4 同上办法处理，得到 Hash（ 3&4），再往上算，Hash（1&2）、Hash（ 3&4）这两个字符串又合并，接着进行哈希运算，这个最后的哈希值就是区块头的Merkle树根。

Merkle树图示

Merkle树能够快速检验交易数据的完整性，即数据是否被篡改过。根据密码学中哈希函数的特点，如果有人对数据做过手脚，计算出的哈希值也会变得完全不一样。

哪怕在这4000笔交易中，只移动了一个小数点，也能从Merkle树根的哈希值发现问题。

时间戳（Time stamp）

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（Target_bits）

挖出该区块的难度目标。每产生2016个区块，数据区块运算难度会调整一次。

比如，比特币区块链网络能够自动调整挖矿的难度，让矿工每10分钟才挖出一个区块。原本需要14天才能挖完2016块区块，被算力高的矿机7天就搞定了，这就意味着到预定调整期的时候，挖矿难度会增加一倍。

随机数（Nonce）

挖矿相当于矿工做数学题，他们利用计算机或矿机的算力（hash rate），经过大量的计算（哈希碰撞），试出一个正确的区块哈希值；很多时候我们也把挖矿称作争夺记账权。

那么，矿工怎样才知道试对了哈希值呢？随机数就是这道数学题的解，挖矿过程就是在寻找这个随机数。

假设某个新区块的随机数为23333，矿工们开始尝试各种随机数，直到有个幸运星成功试到一组数字，这组数字的哈希值是

e401a2f533e853713eea21b878c1921c19fa9c8b887c1547c771ece46e13f766

而这个字符串正是随机数23333的哈希值。

区块的随机数（Nonce）

挖到一个新区块的节点或矿工向全网广播，对于其他矿工来说，不管还差多少就快成功，都只能放弃这个区块的记账权，转而开始验证这个区块。新区块验证通过后，成功加入区块链。

区块为什么设计成这种结构

区块链是一个分布式网络，所以数据需要存储在各个节点当中，但是比特币网络的完整数据加起来可能有几十上百个G，这不是一个普通的终端能够承受的起的，许多比特币客户端被设计成运行在空间和功率受限的设备上。

比如智能电话、平板电脑、嵌入式系统等，它们是没有办法存储比特币网络的所有数据的。

这个时候就能看到区块结构的高明之处了，比特币网络中的很多节点主要是用来验证交易的，它们只需要下载区块头，不需要下载包含在每个区块中的交易信息就能完成交易验证。

这样的不含交易信息的区块链，大小只有完整区块链的几千分之1，大大节约了终端的使用空间。