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<a href="/专栏/左耳听风/013 魔数 0x5f3759df.md.html">013 魔数 0x5f3759df</a>
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<a href="/专栏/左耳听风/031 Git协同工作流，你该怎样选.md.html">031 Git协同工作流，你该怎样选</a>
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<a href="/专栏/左耳听风/044 弹力设计篇之“幂等性设计”.md.html">044 弹力设计篇之“幂等性设计”</a>
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<a href="/专栏/左耳听风/052 区块链技术 - 区块链的革命性及技术概要.md.html">052 区块链技术 - 区块链的革命性及技术概要</a>
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<a href="/专栏/左耳听风/054 区块链技术 - 区块链技术细节 - 加密和挖矿.md.html">054 区块链技术 - 区块链技术细节 - 加密和挖矿</a>
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<a href="/专栏/左耳听风/069 程序员练级攻略（2018）：开篇词.md.html">069 程序员练级攻略（2018）：开篇词</a>
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<a href="/专栏/左耳听风/070 程序员练级攻略（2018）：零基础启蒙.md.html">070 程序员练级攻略（2018）：零基础启蒙</a>
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<a href="/专栏/左耳听风/071 程序员练级攻略（2018）：正式入门.md.html">071 程序员练级攻略（2018）：正式入门</a>
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<a href="/专栏/左耳听风/072 程序员练级攻略（2018）：程序员修养.md.html">072 程序员练级攻略（2018）：程序员修养</a>
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<a href="/专栏/左耳听风/073 程序员练级攻略（2018）：编程语言.md.html">073 程序员练级攻略（2018）：编程语言</a>
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<a href="/专栏/左耳听风/074 程序员练级攻略：理论学科.md.html">074 程序员练级攻略：理论学科</a>
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<a href="/专栏/左耳听风/075 程序员练级攻略（2018）：系统知识.md.html">075 程序员练级攻略（2018）：系统知识</a>
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<a href="/专栏/左耳听风/078 程序员练级攻略（2018）：异步IO模型和Lock-Free编程.md.html">078 程序员练级攻略（2018）：异步IO模型和Lock-Free编程</a>
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<a href="/专栏/左耳听风/079 程序员练级攻略（2018）：Java底层知识.md.html">079 程序员练级攻略（2018）：Java底层知识</a>
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<a href="/专栏/左耳听风/081 程序员练级攻略（2018）：分布式架构入门.md.html">081 程序员练级攻略（2018）：分布式架构入门</a>
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<a href="/专栏/左耳听风/082 程序员练级攻略（2018）：分布式架构经典图书和论文.md.html">082 程序员练级攻略（2018）：分布式架构经典图书和论文</a>
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<a href="/专栏/左耳听风/083 程序员练级攻略（2018）：分布式架构工程设计.md.html">083 程序员练级攻略（2018）：分布式架构工程设计</a>
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<a href="/专栏/左耳听风/089 程序员练级攻略（2018）：UIUX设计.md.html">089 程序员练级攻略（2018）：UIUX设计</a>
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<a href="/专栏/左耳听风/090 程序员练级攻略（2018）：技术资源集散地.md.html">090 程序员练级攻略（2018）：技术资源集散地</a>
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<a href="/专栏/左耳听风/091 程序员面试攻略：面试前的准备.md.html">091 程序员面试攻略：面试前的准备</a>
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<a href="/专栏/左耳听风/092 程序员面试攻略：面试中的技巧.md.html">092 程序员面试攻略：面试中的技巧</a>
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<a href="/专栏/左耳听风/093 程序员面试攻略：面试风格.md.html">093 程序员面试攻略：面试风格</a>
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<a href="/专栏/左耳听风/094 程序员面试攻略：实力才是王中王.md.html">094 程序员面试攻略：实力才是王中王</a>
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<a href="/专栏/左耳听风/095 高效学习：端正学习态度.md.html">095 高效学习：端正学习态度</a>
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<a href="/专栏/左耳听风/096 高效学习：源头、原理和知识地图.md.html">096 高效学习：源头、原理和知识地图</a>
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<a href="/专栏/左耳听风/097 高效学习：深度，归纳和坚持实践.md.html">097 高效学习：深度，归纳和坚持实践</a>
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<a href="/专栏/左耳听风/098 高效学习：如何学习和阅读代码.md.html">098 高效学习：如何学习和阅读代码</a>
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<a href="/专栏/左耳听风/099 高效学习：面对枯燥和量大的知识.md.html">099 高效学习：面对枯燥和量大的知识</a>
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<a href="/专栏/左耳听风/100 高效沟通：Talk和Code同等重要.md.html">100 高效沟通：Talk和Code同等重要</a>
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<a href="/专栏/左耳听风/101 高效沟通：沟通阻碍和应对方法.md.html">101 高效沟通：沟通阻碍和应对方法</a>
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<a href="/专栏/左耳听风/102 高效沟通：沟通方式及技巧.md.html">102 高效沟通：沟通方式及技巧</a>
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<a href="/专栏/左耳听风/103 高效沟通：沟通技术.md.html">103 高效沟通：沟通技术</a>
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<a href="/专栏/左耳听风/104 高效沟通：好老板要善于提问.md.html">104 高效沟通：好老板要善于提问</a>
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<a href="/专栏/左耳听风/105 高效沟通：好好说话的艺术.md.html">105 高效沟通：好好说话的艺术</a>
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<a href="/专栏/左耳听风/106 加餐 谈谈我的“三观”.md.html">106 加餐 谈谈我的“三观”</a>
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<a href="/专栏/左耳听风/107 结束语 业精于勤，行成于思.md.html">107 结束语 业精于勤，行成于思</a>
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</ul>
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<div class="sidebar-toggle" onclick="sidebar_toggle()" onmouseover="add_inner()" onmouseleave="remove_inner()">
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<div class="book-post">
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<p id="tip" align="center"></p>
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<div><h1>053 区块链技术 - 区块链技术细节 - 哈希算法</h1>
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<p>对于计算机来说，区块链就像一个单向链表，一个数据块中保存着三个信息。</p>
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<ul>
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<li>真正的数据。</li>
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<li>自己的地址（或是 ID）。</li>
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<li>前一个数据块的地址。</li>
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</ul>
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<p>这样，通过追溯前一个块的地址，把所有的数据块存成了一条链。所以，我们叫其 BlockChain。如下图所示。</p>
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<p><img src="assets/1c75fed53ee023c353a31616d2b29e62.png" alt="img" /></p>
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<p>每个数据块的 " 地址 " 的编码使用了计算机上的一个算法，计算机圈内人士把这个算法叫 Secure Hash。有人音译为 " 安全哈希 "，也有人意译为 " 安全散列 "。在计算机应用中，hash 算法主要有几个功能。</p>
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<ul>
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<li>用来生成唯一标识一个数据块的 ID（身份证），这个 ID 几乎不能重复。</li>
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<li>用来做数据的特征码。只要数据中一个 bit 的数据出现更改，那么整个 hash 值就完全不一样了。而且数据学上保证了，我们无法通过 hash 值反推回原数据。</li>
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</ul>
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<p>于是，很多公司在互联网上发布信息或软件的时候，都会带上一个 Checksum（校验码）。你只要把整个文件的数据传入到那个特定的 hash 算法中，就会得到一串很长的字符串。如果和官方发布的 Checksum 字符串不一样，那么就说明信息或文件内容被人更改或是信息残缺了。因此，也被应用在 " 数字签名 " 中。</p>
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<p>在计算机世界里，有两个很著名的 hash 算法，一个叫 MD5（<a href="https://en.wikipedia.org/wiki/MD5">Wikipedia 链接</a>），一个叫 SHA-2（<a href="https://en.wikipedia.org/wiki/SHA-2">Wikipedia 链接</a>）， 区块链用的是 SHA-256 这个算法。</p>
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<p>下面是一个示例。</p>
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<ul>
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<li>对 "chen hao" 这个信息计算 MD5 值得到 9824df83b2d35172ef5eb63a47a878eb（一个 16 进制数）。</li>
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<li>如果对 “chen hao" 做一个字符的修改，将字母 "o" 改成数字 "0”，即 “chen ha0”，计算出来的 MD5 值就成了 d521ce0616359df7e16b20486b78d2a8。可以看到，这和之前的 MD5 值完全不一样了。</li>
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</ul>
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||
<p>于是，我们就可以利用 hash 算法的这个特性来对数据做 " 数字签名 "。也就是说，我将 " 数据 " 和其 " 签名 "（hash 计算值）一起发布，这样可以让收到方来验证数据有没有被修改。</p>
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<p>我们再来看上面那个区块链的图。</p>
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<p><img src="assets/1c75fed53ee023c353a31616d2b29e62.png" alt="img" /></p>
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<p>对于第一块数据，我们把其 " 数据集 " 和 " 前数据块的 hash 值 00000a6cba" 一起做 hash 值，得到本区块的地址 000007cabfa。然后，下一个区块会把自己的数据和 000007cabfa 一起做 hash，得到 000008acbed 这个哈希值……如此往复下去。</p>
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<p>根据 " 被 hash 的数据中有一个 bit 被修改了，整个 hash 就完全不一样了 " 这个特性，我们知道：</p>
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<ul>
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<li>如果前置数据块中的数据改了，那么其 hash 就会完全不一样了，也就是说你的 ID 或地址就变了，于是别人就找不到这个数据块了；</li>
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<li>所以，你还要去修改别人数据块中指向你的地址，但是别人数据块中指向你的地址（ID/hash）变了，也会导致他自己的地址（ID/hash）随之变化。因为他用你的地址生成了自己的地址，这样一来，你就需要把其他人的地址全部改掉。</li>
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</ul>
|
||
<p>在这样的连锁反应下，你想要偷偷修改一个 bit 的难度一下就提高很多。所以，在区块链的世界里，越老的区块越安全也越不容易被人篡改，越新的区块越不安全也越容易被人篡改。</p>
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<h1>比特币的 hash 算法</h1>
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<p>下面我来简单介绍一下，比特币中区块链的一些细节。下图是区块链的协议格式。</p>
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<p><img src="assets/a99ad9de4d156cea9e8ee716c48e0298.png" alt="img" /></p>
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<p>其中 Version，Previous Block Hash，Merkle Root，Timestamp，Difficulty Target 和 Nonce 这六个数据字段是区块链的区块数据协议头。后面的数据是交易数据，分别是：本块中的交易笔数 H 和交易列表（最多不能超过 1MB，为什么是 1MB，后面会说）。</p>
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<p>下面我来说一下区块头中的那六个字段的含义。</p>
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<ul>
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<li>Version：当前区块链协议的版本号，4 个字节。如果升级了，这个版本号会变。</li>
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<li>Previous Block Hash：前面那个区块的 hash 地址。32 个字节。</li>
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<li>Merkle Root：这个字段可以简单理解为是后面交易信息的 hash 值（后面具体说明一下） 。32 个字节。</li>
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<li>Timestamp：区块生成的时间。这个时间不能早于前面 11 个区块的中位时间，不能晚于 " 网络协调时间 "——你所连接的所有结点时间的中位数。4 个字节。</li>
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<li>Bits：也就是上图中的 Difficulty Tagrget，表明了当前的 hash 生成的难度（后面会说）。4 个字节。</li>
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<li>Nonce：一个随机值，用于找到满足某个条件的 hash 值。4 字节。</li>
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</ul>
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<p>对这六字段进行 hash 计算，就可以得到本区块的 hash 值，也就是其 ID 或是地址。其 hash 方式如下（对区块头做两次 SHA-256 的 hash 求值）：</p>
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<pre><code>SHA-256(SHA-256 (Block Header))
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</code></pre>
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<p>当然，事情并没有这么简单。比特币对这个 hash 值是有要求的，其要求是那个 Bits 字段控制的，然后你可以调整 Nonce 这个 32 位整型的值来找到符合条件的 hash 值。我们把这个事情叫做 " 挖矿 "（在下一篇中，我们会详细讲一下这个事）。</p>
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<h1>关于 Merkle Root</h1>
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<p>前面说到过，可以简单地将 Merkle Root 理解为交易的 hash 值。这里，我们具体说一下，比特币的 Merkle Root 是怎么计算出来的。</p>
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<p>首先，我们知道，比特币的每一笔交易会有三个字段，一个是转出方，一个是转入方，还有一个是金额。那么，我们会对每个交易的这三个字段求 hash，然后把交易的 hash 做两两合并，再求其 hash，直到算出最后一个 hash 值，这就是我们的 Merkle Root。</p>
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||
<p>我画了一个图展示一下这个过程。</p>
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<p><img src="assets/d196bfab2e786d055fa321055b7fef33.png" alt="img" /></p>
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<p>上面的示意图中有四笔交易，A 和 B 的 hash 成了 Hash-AB， C 和 D 的 hash 成了 Hash-CD，然后再做 Hash-AB + Hash-CD 的 hash，得到了 Hash-ABCD，这就是 Merkle Root。整个过程就像一个 " 二叉树 " 一样。</p>
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<p>下图是一个区块链的示意图，来自<a href="https://bitcoin.org/bitcoin.pdf">比特币的白皮书</a>。</p>
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<p><img src="assets/627b2acd3eef17785c9c7efcaf594a5b.png" alt="img" /></p>
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<p>为什么要这样做呢？为什么不是把所有的交易都放在一起做一次 hash 呢？这不也可以让人无法篡改吗？这样做的好处是——我们把交易数据分成了若干个组。就像上面那个二叉树所表示的一样，我们可以不断地把这个树分成左边的分支和右边的分支，因为它们都被计算过 hash 值，所以可以很快地校验其中的内容有没有被修改过。</p>
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<p>这至少带来三个好处。</p>
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<ol>
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<li>大量的交易数据可以被分成各种尺寸的小组，这样有利于我们整合数据和校验数据。</li>
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<li>这样的开销在存储和内存上并不大，然而我们可以提高校验一组数据的难易程度。</li>
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<li>在 P2P 的无中心化网络上，我们可以把大量数据拆成一个一个小数据片传输，可以提高网络的传输速度。</li>
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</ol>
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<p>最后，需要说一下的是，以太坊有三个不同的 Merkle Root 树。因为以太坊要玩智能合约，所以需要更多的 Merkle Root。</p>
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<ul>
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<li>一个是用来做交易 hash 的 Merkle Root。</li>
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<li>一个是用来表示状态 State 的。因为一个智能合同从初始状态走到最终状态需要有若干步（也就是若干笔交易），每一步都会让合同的状态发生变化，所以需要保存合同的状态。</li>
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||
<li>还有一个是用来做交易收据的。主要是用来记录一个智能合约中最终发生的交易信息。在 StackExchange 上的问题 "<a href="https://ethereum.stackexchange.com/questions/5888/relationship-between-transaction-trie-and-receipts-trie">Relationship between Transaction Trie and Receipts Trie</a>" 中有相应的说明，你可以前往一看。</li>
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</ul>
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<p>以太坊称其为 Merkle Patricia Tree（具体细节可参看其<a href="https://github.com/ethereum/wiki/wiki/Patricia-Tree">官方的 Wiki</a>）。</p>
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<h1>比特币的交易模型</h1>
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<p>比特币区块中的交易数据，其实也是一个链。为了讲清楚这个链，我们需要了解一下比特币交易中的两个术语，一个是 input，一个是 output，也就是交易的支出方（input）和收入方（output）。</p>
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<p>在比特币中，一个交易可以有多个 output，也就是说我可以把一笔钱汇给多个人，但一个 output 只能对应一个源的 input，还有一个条件就是，output 跟 input 的总数要吻合。</p>
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<p>这里举个例子。假设，Fred 给了 Alice 2 个比特币，Ted 给了 Alice 3 个比特币，这个时候，Alice 有 5 个比特币。然而，大比特币的世界里是没有余额的，所以，对于 Alice 来说，她只有两个没有花出去的交易，一个是 2 个比特币，一个是 3 个比特币。这在比特币中叫 UTXO（Unspent Transaction Output）。</p>
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<p>此时，如果 Alice 想要转给 Bob 4 个比特币，她发现自己的两个交易中都不够，也不能拆开之前的那两个比特币交易，那么她只能把交易 2 和交易 3 当成 input，然后把自己和 Bob 当成 output，Bob 分得 4 个，她自己分 1 个。这样的交易才平衡。</p>
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<p><img src="assets/6c82bd5c0bf3535b49f3dbe271480341.png" alt="img" /></p>
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<p>于是，一笔交易可能会包含大量的 Input 和 Output。因为比特币没有 " 余额 " 的概念，所以需要通过多个 input 来凑，然后 output 这边还需要给自己 " 找零 "，给矿工 " 小费 "。</p>
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<p>这样一来，在比特币交易中，交易会开成一个链，也就是你把钱给了我，我又给了张三，张三给了李四……就这样传递下去，形成了一个交易链。因为还没有花出去，所以就成了 UTXO，而系统计算你有没有钱可以汇出去时，只需要查看一下你的 UTXO 就可以了。</p>
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<p><img src="assets/dfd5d623ff27a5e6cfb0e5371822354d.png" alt="img" />
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(图片来源：<a href="https://bitcoin.org/en/developer-guide">https://bitcoin.org/en/developer-guide</a> )</p>
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<p>UTXO 因为没有账户和余额的概念，所以可以并行进行多笔交易。假如你有多个 UTXO，你可以进行多笔交易而不需要并行锁。然后其还有匿名性的特征，你可以隐藏自己的交易目的地（通过设置的多个 output），而且没有余额意味着是没有状态的。要知道你有多少个比特币，只需要把 UTXO 的交易记录统计一下就可以知道了。但这也让人比较费解，而且也不利于应用上的开发。以太坊则使用了余额的方式。</p>
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<p>在这篇文章中，我先讲述了什么是区块链？它是如何得名的，它的核心原理是什么。随后分享了比特币的 hash 算法，以及 Merkle Root 是如何计算出来的。最后，介绍了比特币的交易模型。希望对你有帮助。（<strong>这篇文章中图片很多，很难用音频体现出来，所以没有录制音频，还望谅解。</strong>）</p>
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<a href="/专栏/左耳听风/052 区块链技术 - 区块链的革命性及技术概要.md.html">上一页</a>
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<a href="/专栏/左耳听风/054 区块链技术 - 区块链技术细节 - 加密和挖矿.md.html">下一页</a>
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