區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)建高等職業(yè)教育新目錄新專標電子與信息大類教材區(qū)塊鏈部署與運維第二章01創(chuàng)建區(qū)塊任務(wù)布置：學習區(qū)塊賬本基本概念。學習區(qū)塊整體結(jié)構(gòu)。認識創(chuàng)世區(qū)塊。編碼創(chuàng)建一個區(qū)塊。創(chuàng)建區(qū)塊從宏觀上講，賬本（Ledger）是具有一定格式的，以會計憑證為依據(jù)，對所有經(jīng)濟業(yè)務(wù)進行序時分類記錄的若干賬頁組成的本籍，也就是通常我們所說的賬冊。區(qū)塊鏈表示一種特有的數(shù)據(jù)記錄格式。所謂的區(qū)塊就是數(shù)據(jù)塊的意思，每一個區(qū)塊之間通過某個標志連接起來，從而形成一條鏈，區(qū)塊鏈就是“區(qū)塊+鏈”。區(qū)塊賬本（Ledgerium）是一種分布式數(shù)字分類賬，以可驗證和永久的方式高效地記錄各方之間的交易。創(chuàng)建區(qū)塊

區(qū)塊賬本區(qū)塊賬本生態(tài)系統(tǒng)有三個主要組成部分：區(qū)塊賬本、身份認證平臺、區(qū)塊賬本文件存儲系統(tǒng)。區(qū)塊賬本擁有靈活多變的形式，可以獨立存在。創(chuàng)建區(qū)塊在區(qū)塊鏈中賬本層負責區(qū)塊鏈系統(tǒng)的信息存儲，包括收集交易數(shù)據(jù)、生成數(shù)據(jù)區(qū)塊、對本地數(shù)據(jù)進行合法性校驗，以及將校驗通過的區(qū)塊加到鏈上。賬本層將上一個區(qū)塊的簽名嵌入下一個區(qū)塊中組成塊鏈式數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，使數(shù)據(jù)完整性和真實性得到保障，這正是區(qū)塊鏈系統(tǒng)防篡改、可追溯特性的來源。典型的區(qū)塊鏈系統(tǒng)數(shù)據(jù)賬本設(shè)計采用了一種按時間順序存儲的塊鏈式數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。創(chuàng)建區(qū)塊賬本層有兩種數(shù)據(jù)記錄方式，分別是基于資產(chǎn)和基于賬號的?；谫Y產(chǎn)的數(shù)據(jù)模型中，首先以資產(chǎn)為核心進行建模，然后記錄資產(chǎn)的所有權(quán)，即所有權(quán)是資產(chǎn)的一個字段?；谫~號的數(shù)據(jù)模型中，建立賬號作為資產(chǎn)和交易的對象，資產(chǎn)是賬號下的一個字段。相比而言，基于賬號的數(shù)據(jù)模型可以更方便地記錄、查詢賬號相關(guān)信息，基于資產(chǎn)的數(shù)據(jù)模型可以更好地適應(yīng)并發(fā)環(huán)境。為了獲取高并發(fā)的處理性能，并且及時查詢到賬號的狀態(tài)信息，多個區(qū)塊鏈平臺正向兩種數(shù)據(jù)模型的混合模式發(fā)展。創(chuàng)建區(qū)塊區(qū)塊結(jié)構(gòu)真實的區(qū)塊鏈是一條長度不斷增長的鏈表結(jié)構(gòu)，主要由區(qū)塊和哈希指針構(gòu)成。區(qū)塊是收納交易的容器，俗稱的礦工挖礦就是把交易打包到區(qū)塊中，然后把這個區(qū)塊告訴其他礦工：“嘿，各位礦友們，這些交易我已經(jīng)打包在這個塊里了，你們不用管這些交易了，繼續(xù)在我的后面打包其他交易到新的塊里吧”。創(chuàng)建區(qū)塊區(qū)塊鏈和區(qū)塊的結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。創(chuàng)建區(qū)塊由圖2-1可知，區(qū)塊是區(qū)塊鏈的核心主體，一個區(qū)塊主要由兩部分組成：區(qū)塊頭和由交易列表構(gòu)成的區(qū)塊主體。具體可以用表2-1表示比特幣區(qū)塊整體結(jié)構(gòu)。創(chuàng)建區(qū)塊區(qū)塊鏈里的第一個區(qū)塊創(chuàng)建于2009年，被稱為創(chuàng)世區(qū)塊。它是區(qū)塊鏈里面所有區(qū)塊的共同祖先，這意味著你從任一區(qū)塊循序回溯，最終都將到達創(chuàng)世區(qū)塊。因為創(chuàng)世區(qū)塊已經(jīng)預(yù)先寫入到比特幣客戶端軟件里，這能確保創(chuàng)世區(qū)塊不會被改變。每一個節(jié)點都“知道”創(chuàng)世區(qū)塊的哈希值、結(jié)構(gòu)、被創(chuàng)建的時間和里面的每一個交易。創(chuàng)世區(qū)塊創(chuàng)建區(qū)塊因此，每個節(jié)點都把該區(qū)塊作為區(qū)塊鏈的首區(qū)塊，從而構(gòu)建了一個安全、可信的區(qū)塊鏈的根。創(chuàng)建區(qū)塊創(chuàng)世區(qū)塊是區(qū)塊鏈上的第一個區(qū)塊，比特幣區(qū)塊鏈的創(chuàng)世區(qū)塊信息如圖2-2所示。創(chuàng)建區(qū)塊中本聰挖出的比特幣創(chuàng)世區(qū)塊還包含這樣一句話“TheTimes03/Jan/2009Chancelloronbrinkofseeondbailoutforbanks"。這句話是《泰晤士報》當天的頭版文章標題，引用這句話既是對該區(qū)塊產(chǎn)生時間的說明，也可視為半開玩笑地提醒人們一個獨立的貨幣制度的重要性，同時告訴人們隨著比特幣的發(fā)展，一場前所未有的世界性貨幣革命將要到來。該消息由比特幣的創(chuàng)立者中本聰嵌入創(chuàng)世區(qū)塊中。創(chuàng)建區(qū)塊區(qū)塊結(jié)構(gòu)設(shè)計。創(chuàng)建區(qū)塊編碼創(chuàng)建區(qū)塊生成創(chuàng)世區(qū)塊。創(chuàng)建區(qū)塊生成區(qū)塊設(shè)計。創(chuàng)建區(qū)塊生成區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)設(shè)計。創(chuàng)建區(qū)塊運行區(qū)塊鏈代碼。創(chuàng)建區(qū)塊填寫任務(wù)評價表，如表2-2所示。創(chuàng)建區(qū)塊02生成Merkle樹任務(wù)場景區(qū)塊鏈中的交易都是一個個獨立的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)如何高效保存和查詢呢?利用Hash算法和Merkle樹，我們就可以將數(shù)據(jù)高效地組織在一起。通過Merkle樹最上端的Merkle根，就可以保證這些數(shù)據(jù)不被篡改并且可以利用生成路徑上的哈希值來判斷某一個數(shù)據(jù)是否屬于這個Merkle樹。生成Merkle樹Merkle樹是一種哈希二叉樹，它是一種用作快速歸納和校驗大規(guī)模數(shù)據(jù)完整性的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它是區(qū)塊鏈技術(shù)里主要使用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)原型。在比特幣網(wǎng)絡(luò)中，Merkle樹被用來歸納一個區(qū)塊中的所有交易，同時生成整個交易集合的根哈希，并且提供了一種校驗區(qū)塊是否存在某交易的高效途徑。Merkle樹基礎(chǔ)知識生成Merkle樹生成一棵完整的Merkle樹需要遞歸地對哈希節(jié)點（底層是交易哈希處理后的哈希節(jié)點）進行哈希操作，并將新生成的哈希節(jié)點插入Merkle樹中，直到只剩一個哈希節(jié)點，該節(jié)點就是Merkle樹的根。生成Merkle樹在比特幣的Merkle樹中兩次使用到了SHA256算法，因此其加密哈希算法也被稱為double-SHA256.Merkle樹（哈希二叉樹）如圖2-3所示。生成Merkle樹Merkle根哈希是區(qū)塊主體的核心濃縮，它是該區(qū)塊中所有交易構(gòu)成的哈希二叉樹的根的哈希值。Merkle樹是自底向上構(gòu)建的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，所以可由根部搜尋到任何一個在該樹中的數(shù)據(jù)，簡而言之就是通過Merkle根哈希可以搜尋出任何一筆存儲在該區(qū)塊中的交易。同時又使得區(qū)塊頭存儲的數(shù)據(jù)非常小，只有32字節(jié)，為快速驗證交易（如SPV）提供了可能。生成Merkle樹如圖2-4所示就是比特幣完整區(qū)塊結(jié)構(gòu)。生成Merkle樹sha256哈希函數(shù)的使用：聲明使用UTF-8格式，并且引入哈希函數(shù)的包。編寫list_hashing函數(shù)，使得數(shù)據(jù)列表中的每一個數(shù)據(jù)都能夠變?yōu)槠鋵?yīng)的哈希值。編寫catenate_hash函數(shù)，將兩個數(shù)據(jù)拼接在一起后進行sha256哈希操作，以十六進制摘要的形式輸出。生成Merkle樹Merkle樹生成實現(xiàn)01020304建立MerkleTree類，編寫初始化函數(shù)。生成一棵Merkle樹編寫generate函數(shù)，將本區(qū)塊所有數(shù)據(jù)都進行哈希操作后生成多層Merkle樹，輸出為每一層樹和樹的層數(shù)。測試Merkle樹是否正常運行。最后這個Merkle樹的根節(jié)點值就是存儲在本區(qū)塊頭的MerkleRoot，結(jié)果如下（結(jié)果由于隨機性一定會有不同，但是形式相同）。生成Merkle樹填寫任務(wù)評價表，如表2-3所示。生成Merkle樹03LevelDB數(shù)據(jù)存取任假設(shè)在某個業(yè)務(wù)場景中，存儲壓力較大，寫操作遠大于讀操作，并且讀操作集中在最近寫入的數(shù)據(jù)中，要求根據(jù)LevelDB的特點，編碼實現(xiàn)高效的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)存取操作。任務(wù)場景LevelDB數(shù)據(jù)存取任任務(wù)布置：學習賬本存儲基礎(chǔ)知識。學習LevelDB基礎(chǔ)知識。編碼實現(xiàn)LevelDB數(shù)據(jù)存取。LevelDB數(shù)據(jù)存取任賬本存儲以比特幣為代表的經(jīng)典區(qū)塊鏈核心客戶端使用Google的LevelDB存儲區(qū)塊鏈元數(shù)據(jù)。區(qū)塊被從遠及近有序地連接在這個鏈條里，每個區(qū)塊都指向前一個區(qū)塊。區(qū)塊鏈經(jīng)常被視為一個垂直的棧，第一個區(qū)塊作為棧底的首區(qū)塊，隨后每個區(qū)塊都被放置在之前的區(qū)塊之上。LevelDB數(shù)據(jù)存取任用棧來形象化地表示區(qū)塊依次堆疊這一概念后，我們便可以使用一些術(shù)語，例如，“高度”表示區(qū)塊與首區(qū)塊之間的距離，“頂部”或“頂端”表示最新添加的區(qū)塊。LevelDB數(shù)據(jù)存取任如圖2-5所示是比特幣區(qū)塊賬本存儲的邏輯結(jié)構(gòu)。LevelDB數(shù)據(jù)存取任LevelDB（默認的KV數(shù)據(jù)庫）：支持鍵的查詢、組合鍵的查詢、鍵范圍查詢，是默認的狀態(tài)數(shù)據(jù)庫。LevelDB是采用C++編寫的一種高性能嵌入式數(shù)據(jù)庫，沒有獨立的數(shù)據(jù)庫進程，占用資源少，速度快。LevelDBLevelDB數(shù)據(jù)存取任基于鍵的基本操作包括：Put（key，value）；Get（key）；Delete（key）。它有如下一些特點：支持批量修改的原子操作。鍵和值可以是任意的字節(jié)數(shù)組。數(shù)據(jù)是按鍵排序后存儲的?？梢宰远x排序方法。LevelDB數(shù)據(jù)存取任支持創(chuàng)建快照。支持對數(shù)據(jù)前向和后向的迭代操作。數(shù)據(jù)采用Snappy壓縮技術(shù)。