区块链结构
区块链是由一个个区块构成的有序列表，每一个区块都记录了一系列交易，并且每一个区块都指向前一个区块从而形成一个链条。
区块链有以下几个特征：
- 区块链就是一个不断增长的全网总账本
- 每个节点都拥有完整的区块链
- 节点总是信任最长的区块链
-
伪造区块链需要拥有超过51%的全网算力!
区块结构图.png
每一个区块上都有一个hash标识：区块hash，同时该区块通过记录上一个区块的hash来指向上一个区块。区块还有一个Merkle hash用来确保该区块的所有交易记录，无法被篡改。区块的主要数据是交易记录。第一条记录Coinbase是矿工的挖矿奖励，后面的交易都是用户的交易。
区块链具有不可篡改的特性，是由哈希算法保证的。
什么是哈希算法/Hash：
- 哈希算法是一个单向函数：h = H(x)
- 它把任意长度的输入数据转化为固定长度的输出
MD5加密结果如下：
MD5("version1") = "966634ebf2fc135707d6753692bf4b1e";
MD5("version2") = "2e0e95285f08a07dea17e7ee111b21c8";
安全哈希算法的特点：
- 单向函数：
- 通过输入可以很容易的计算输出
- 通过输出无法反推输入，只能暴力穷举
- 碰撞率低：
- 如果X 不等于 y，而H(x) = H(y)，则发生了碰撞。
- 因为输入数据的长度是不固定的，所以输入数据是一个无限集合，而输出数据的长度是固定的，所以是一个有限的集合。这样就必定会出现不同的输入导致相同的输出。当无限集合映射到有限集合时必定会出现碰撞。碰撞的概率和集合的大小有关，输出的hash位数越多，集合就越大，碰撞的概率就越低。
- 输出无规律：输入数据任意一个bit的改动，会导致输出完全不同，从而让攻击者无法猜出输入，只能依靠暴力穷举。
哈希算法的作用：
假设我们相信一个安全的哈希算法：如果H(x) = H(y)，则x = y
- 如果两个文件的hash相同，说明文件没有被修改过
- 如果两份数据的哈希相同，说明两份数据相同
- 比特币是用哈希算法来记录所以的交易不可修改，就是计算并记录交易的哈希，如果交易被篡改，那么hash验证就不会通过，说明这个区块是无效的。
常用的哈希算法：
| 算法 | 输出长度 |
|---|---|
| MD5 | 128bit : 16bytes |
| RipeMD160 | 160bit : 20bytes |
| SHA-1 | 160bit : 20bytes |
| SHA-256 | 256bit : 32bytes |
| SHA-512 | 512bit : 64bytes |
比特币使用两种哈希算法：
- 两次SHA-256
- hash256 = sha256(sha256(data))
- 先计算SHA-256，再计算RipeMD160
-
hash160 = ripemd160(sha256(data))区块头结构图.png
Merkle Hash：记录了本区块所以的Hash。
假设这个区块有5笔交易，首先，对每一笔交易进行第一hash，也就是2次SHA-256的运算，得到5个哈希值，也就是a1、a2、a3、a4、a5，这五个哈希值也可以看做是数据，将a1和a2拼起来、a3和a4拼起来，再计算出2个哈希值b1和b2。那a5怎么办呢？答案是将a5复制一份在与a5拼起来进行哈希计算得到b3；继续将b1和b2拼起来进行哈希运算得到c1，同样的b3会被复制一份再与b3拼起来进行哈希运算得到c2；最后将c1和c2拼起来进行哈希运算得到最终的哈希值，这个哈希值就是Merkle Hash。
从Merkle Hash的计算方法可以得出结论：修改任意一笔交易，哪怕是一个字节，或者交换两个交易的顺序，都会导致Merkle Hash验证失败，也就会导致这个区块本身是无效的。所以Merkle Hash记录在头部，它的作用就是保证交易记录永远不能够被修改。
区块本身用Block Hash来标识：Block Hash是区块唯一标识。一个区块的hash并没有记录在区块头部，而是通过计算区块的hash得到的。
区块的Prev Hash记录了上一个区块的Hash，这样就可以通过Prev Hash追踪到上一个区块，由于下一个区块的Prev Hash又会指向当前区块，这样每一个区块的Prev Hash都指向上一个区块，这些区块串起来就形成了区块链。如果一个攻击者恶意攻击了某一个区块的交易记录，那么这个区块的Merkle Hash验证就不会通过，所以攻击者只能重新计算Merkle Hash，然后把区块头的Merkle Hash也修改了，但是这个区块本身的Hash已经改变，那么下一个区块指向该区块的链接也断掉了。由于比特币区块的hash必须满足一定的难度值，所以攻击者只能把后面所以区块全部重新计算，并且伪造出来，才能修改整个区块链。
修改一个区块的成本已经非常高了，如果要修改整个区块链，那么其成本非常非常的高昂。在比特币网络中，伪造区块链需要拥有超过51%的全网算力。所以比特币网络运行了6年，从来没有被攻破过。
