Estrutura de blocos

Estrutura de blocos, Árvores de Merkle e formato de transações

“Os mineradores constroem blocos, mas os nós decidem quais blocos seguir.” — Princípio fundamental do Bitcoin

1. Introdução

Bitcoin é uma rede distribuída cujo funcionamento depende de duas estruturas centrais:

blocos
transações

Ambas estão encadeadas criptograficamente por meio de árvores de Merkle e protegidas por Prova de Trabalho (PoW). Compreender seu desenho é essencial para entender:

como a informação é organizada
como funcionam os incentivos
como a imutabilidade é garantida
como se alcança consenso sem autoridade central

2. A cadeia de blocos: estrutura geral

Um bloco de Bitcoin é composto por duas partes principais:

┌────────────────────┐ │ Cabeçalho (80B) │ ← Hash do bloco └────────────────────┘ ┌────────────────────┐ │ Corpo: transações │ └────────────────────┘

2.1. Campos do cabeçalho

O cabeçalho do bloco tem exatamente 80 bytes, estruturados assim:

Campo

Tamanho

Descrição

version

4 bytes

Sinaliza regras de validação

prev_block_hash

32 bytes

Hash do bloco anterior

merkle_root

32 bytes

Raiz da árvore de Merkle

timestamp

4 bytes

Hora aproximada

bits

4 bytes

Alvo de dificuldade

nonce

4 bytes

Contador para PoW

Hash final do bloco:

3. Corpo do bloco: transações

Um bloco contém:

1 transação coinbase (a primeira)
N transações normais

Representação conceitual:

Block ├─ Coinbase TX ├─ TX1 ├─ TX2 ├─ ... └─ TXn

O limite atual é um peso máximo de:

$\text{4,000,000 unidades de weight}$

após a ativação do SegWit (BIP141).

4. Árvores de Merkle no Bitcoin

As árvores de Merkle permitem:

demonstrar inclusão de transações
reduzir a quantidade de informação necessária para clientes SPV
proteger contra modificações

4.1. Construção passo a passo

Tirar o hash de cada transação: $h_i = SHA256d(tx_i)$
Agrupar pares e hasheá-los novamente:

$H_{i,j} = SHA256d(h_i || h_j)$

Repetir até chegar à raiz.

4.2. Representação

             Merkle Root
             /        \
    Hash 0-3            Hash 4-7
    /      \            /      \
   Hash 0-1   Hash 2-3  Hash 4-5  Hash 6-7
   /    \     /    \    /    \    /    \
 TX0  TX1  TX2  TX3 TX4 TX5 TX6 TX7

4.3. Provas de inclusão (Merkle Proof)

Um cliente SPV pode demonstrar que:

$tx_j \in \text{bloque}$

com uma prova de tamanho $O(\log n)$ .

5. Transações Bitcoin: estrutura técnica

Uma transação consiste em:

inputs (entradas)
outputs (saídas)

Os inputs consomem UTXOs anteriores. Os outputs geram novos UTXOs.

5.1. Formato geral

Transaction ├─ Version (4 bytes) ├─ TX_IN_COUNT ├─ [Inputs] ├─ TX_OUT_COUNT ├─ [Outputs] └─ locktime

5.2. UTXO: o modelo contábil do Bitcoin

O Bitcoin não usa contas. Usa um conjunto global de outputs não gastos (Unspent Transaction Outputs).

Vantagens:

paralelização
facilidade de verificabilidade
proteção contra gasto duplo
simplicidade na validação

Formalização:

$UTXO_{new} = UTXO_{old} - inputs + outputs$

6. Inputs: consumindo transações anteriores

Um input contém:

Campo

Descrição

prev_txid

hash da transação anterior

prev_index

índice do output consumido

scriptSig

assinatura + dados de desbloqueio

sequence

usado no locktime

O input prova que o usuário possui a chave privada associada ao UTXO.

6.1. scriptSig (clássico)

Exemplo:

<assinatura ECDSA> <chave pública>

Com SegWit, a assinatura vai em um campo diferente (witness).

7. Outputs: criando novos UTXOs

Um output contém:

Campo

Descrição

value

quantidade em satoshis

scriptPubKey

condições de gasto

7.1. scriptPubKey mais comum (P2PKH)

OP_DUP OP_HASH160 OP_EQUALVERIFY OP_CHECKSIG

7.2. P2SH

Tipo introduzido pelo BIP16:

OP_HASH160 <hash_do_script> OP_EQUAL

7.3. P2WPKH (SegWit)

Formato witness:

0 <20-byte-key-hash>

Benefícios:

menor peso da assinatura
elimina maleabilidade
reduz taxas

8. Assinaturas em transações

O Bitcoin usa ECDSA sobre a curva secp256k1.

Para assinar uma transação constrói-se uma mensagem:

$m = \text{serialización modificada}(\text{TX})$

Depois:

$firma = ECDSA_sign(privkey, m)$

8.1. Tipos de Sighash

O Bitcoin permite diferentes modos de assinar:

Código

Efeito

SIGHASH_ALL

Assina inputs e outputs

SIGHASH_NONE

Assina inputs, outputs livres

SIGHASH_SINGLE

Assina o input correspondente

ANYONECANPAY

Modifica os inputs permitidos

9. A transação coinbase

É a primeira transação em cada bloco.

9.1. Características:

não tem inputs válidos
cria novos bitcoins
inclui recompensa (subsídio + taxas)
contém um script arbitrário com mensagens opcionais

Exemplo clássico: a mensagem do bloco gênesis.

9.2. Subsídio

$\text{Subsidio actual} = 50 \cdot 2^{-n}$

onde

$n$ = número de halvings transcorridos

10. Como as transações são verificadas

Um nó verifica:

Formato correto
Assinaturas válidas
Existência dos UTXOs
Não haver gasto duplo
Outputs não excederem inputs
Sighash válido
Script executado sem erro

10.1. Avaliação de scripts

Bitcoin Script é uma linguagem simples, não Turing completa.

Exemplo de avaliação P2PKH:

scriptSig: <assinatura> <pubKey> scriptPub: OP_DUP OP_HASH160 <hash> OP_EQUALVERIFY OP_CHECKSIG

11. Validação de blocos

Para aceitar um bloco:

Hash do bloco < Target
Todas as transações válidas
Tamanho correto
Recompensa correta
Prev_block_hash coincide
O Merkle Root coincide
Timestamp razoável

12. Representação matemática do encadeamento

Se:

$B_i$ = Bloco i
$H(B_i)$ = Hash do cabeçalho do bloco i

então:

que produz:

$B_0 \rightarrow B_1 \rightarrow B_2 \rightarrow \dots$

A segurança depende de:

$\text{Costo de reorganización} \approx \text{PoW acumulado}$

13. Conclusão do capítulo

Neste capítulo vimos:

como um bloco está estruturado
como as transações são organizadas e verificadas
que papel a árvore de Merkle desempenha
como a integridade da cadeia é assegurada
por que o sistema UTXO é superior a um modelo baseado em contas

Todos esses elementos são a base da camada fundamental do Bitcoin.

Se você entende um bloco, entende o Bitcoin. Se você entende a árvore de Merkle, entende por que é imutável.

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Atualizado há 8 meses

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