比特币技术入门2

之前我们介绍了比特币系统的设计思想：

比特币技术入门1（去中心化和数字签名）

。今天介绍比特币系统的数据模型，这个数据模型是逻辑概念。不包括磁盘是怎么存储这些数据的。

钱包

每个人在使用比特币的时候，都需要有个钱包，这个钱包其实就是一个地址，可以理解为 QQ号，与每个钱包绑定的是一对公钥和私钥，每个人只保管自己的私钥，钱包地址和公钥是公开的。

公钥≈钱包地址。

账单、账单链

在中本聪的比特币白皮书中介绍了什么是账单（Transaction），以下是原图：

电子货币就是一个电子签名链，我们以一些比特币的拥有者 1 为例，对应上图中间的 Transaction：1 想将这些比特币转移给 2，需要做两件事：将上一笔交易和下家 2 的公钥进行 hash，并用 1 的私钥将这个 hash 签名。这笔账单包含了 1 的比特币的由来（上一笔交易），并且包含 1 的签名。其他人可以通过 1 的公钥验证这笔账单的来源和去向。

其实就是将一笔账单的所有内容算个 hash，然后在 hash 上签名，这张图比较笼统。下面给出第二个版本：

账单主要包含输入和输出：

输入：每笔账单可以有多个输入。输入可以是一个大金额的比特币，或者是很多少量的比特币。每个输入的内容为：账单号+输出号。

输出：每笔账单最多有两个输出。一个输出是收款方，另一个输出是找零，如果没有找零就只有一个输出了。输出包含金额，以及转给的账户公钥。

关于账单有一个限制：上一笔账单的输出，如果要用到下一笔账单中，就需要全部消费掉。比如我有 3 笔账单分别收入 0.2 个比特币，现在需要将 0.5 个比特币转给 A，这时这笔账单就有 3 个输入，分别是之前三笔账单的输出；这笔账单有 2 个输出，其中一个是将 0.5 个比特币输出给 A。多余的 0.1 个比特币找零给我。如下图（来自中本聪比特币白皮书）：

中本聪还规定，当一笔账单的输入总和大于输出总和时，差值会当做手续费付给处理这比交易的中介。因此，一般不会将所有零钱返回给付款方，还会支付一些手续费。

再看一张更清楚的图：

以上图中账单4为例，D是一个人，他拥有一对公钥和私钥，私钥可以用来签名，这里签名是对整个账单4的内容hash进行签名。保证输入和输出都不被篡改。在账单3的输出中，D收到了2.5个比特币，在账单4中，他要把这2.5个比特币花掉，转2个给E，0.5个给F，于是他签名授权了账单4，账单4就和账单3连上了，这就是账单链，在账单链上记录了比特币从开始运行到现在的所有账单，每一笔账单都可溯源。

账单还会包含时间戳之类的属性信息，但是时间戳不是用来唯一确定一笔账单的，是用来给用户展示的业务逻辑。在数据库中很少有人用时间戳来标识一个数据，因为分布式系统不存在统一的全局时钟。唯一标识一笔账单的是账单ID。

详细的账单结构介绍可以参考：http://learnmeabitcoin.com/glossary/transaction-data

区块、区块链

一笔账单就写一次区块链太浪费资源，数据库都喜欢批量写。比特币也不例外，多笔账单会打成一个包，叫做区块，区块链的基本单位就是区块。

每一个区块主要包括区块体和区块头：

区块体：包含一笔笔账单。

区块头：主要包括当前区块的 hash，上一个区块的 hash，Root Hash（将区块体中的每笔账单当做 Merkle Tree 的叶子节点，逐层计算出根节点的 hash， 记做 Root Hash，如果不成对就和自己做 hash。），和一个可以随意填充的数：nonce（关于这个数的作用我们下篇介绍，和挖矿有关）。

完整的区块（Block）示意图如下（来自中本聪比特币白皮书）：

区块通过头部的 hash 值连起来了，注意区块链只能后边连前边的。完整的区块链示意图如下图。不仅区块连起来了，内部的账单也可以连起来，网上没有这种示意图，但我认为这才是最完整的示意图（这里简化每笔账单只有一个输入和一个输出）。

从比特币系统上线之日起，这个链就在不断增加。这个链包含了比特币系统的所有账单信息，并且在比特币系统的每个节点都会存一份。完整的比特币系统如下图，各个节点之间都可以互联互通，且各个节点是平等的（节点之间的连线省略了）。

通常，每笔交易的大小是 500 字节，而每个区块的大小在代码中写死了不超过1MB，这样，基本每个区块可以装 2000 笔交易。

总结

比特币区块链的数据结构主要包括：账单和区块。其中账单是有链的，这个链根据账单地址单向连接。每个区块包含多笔交易，区块也是有链的，同样根据区块ID单向连接。区块链所有节点包含区块链的所有数据。

致谢：DPer。研究信息安全，有兴趣可以关注公众号《差分隐私》：