比特币交易
交易（transaction）是比特币的核心所在，而区块链唯一的目的，也正是为了能够安全可靠地存储交易。在区块链中，交易一旦被创建，就没有任何人能够再去修改或是删除它。
对于每一笔新的交易，它的输入会引用（reference）之前一笔交易的输出（这里有个例外，coinbase 交易），引用就是花费的意思。所谓引用之前的一个输出，也就是将之前的一个输出包含在另一笔交易的输入当中，就是花费之前的交易输出。交易的输出，就是币实际存储的地方。下面的图示阐释了交易之间的互相关联：
注意：
有一些输出并没有被关联到某个输入上
一笔交易的输入可以引用之前多笔交易的输出
一个输入必须引用一个输出
贯穿本文，我们将会使用像“钱（money）”，“币（coin）”，“花费（spend）”，“发送（send）”，“账户（account）” 等等这样的词。但是在比特币中，其实并不存在这样的概念。交易仅仅是通过一个脚本（script）来锁定（lock）一些值（value），而这些值只可以被锁定它们的人解锁（unlock）。
每一笔比特币交易都会创造输出，输出都会被区块链记录下来。给某个人发送比特币，实际上意味着创造新的 UTXO 并注册到那个人的地址，可以为他所用。
交易的主函数：
func (cli *CLI) send(from, to string, amount int, nodeID string, mineNow bool) {
if !ValidateAddress(from) {
log.Panic("ERROR: Sender address is not valid")
}
if !ValidateAddress(to) {
log.Panic("ERROR: Recipient address is not valid")
}
bc := NewBlockchain(nodeID) //获取区块链实例
UTXOSet := UTXOSet{bc} //创建UTXO集
defer bc.Db.Close()
wallets, err := NewWallets(nodeID)
if err != nil {
log.Panic(err)
}
wallet := wallets.GetWallet(from)
tx := NewUTXOTransaction(wallet, to, amount, UTXOSet)
if mineNow {
cbTx := NewCoinbaseTX(from, "")
txs := []*Transaction{cbTx, tx}
newBlock := bc.MineBlock(txs)
UTXOSet.Update(newBlock)
} else {
sendTx(knownNodes[0], tx)
}
fmt.Println("Success!")
}
我们从头分析整个交易过程，首先利用ValidateAddress（）方法判断输入的地址是否为有效的比特币地址，然后从我们的blotDB数据库中获取blockchain实例（我们利用一个数据库实现区块链数据的存储，这里读者可以忽略），其中读取数据库的代码如下
func NewBlockchain(nodeID string) *Blockchain {
dbFile := fmt.Sprintf(dbFile, nodeID)
if dbExists(dbFile) == false {
fmt.Println("No existing blockchain found. Create one first.")
os.Exit(1)
}
var tip []byte
db, err := bolt.Open(dbFile, 0600, nil) //打开数据库
if err != nil {
log.Panic(err)
}
err = db.Update(func(tx *bolt.Tx) error {
b := tx.Bucket([]byte(blocksBucket))
tip = b.Get([]byte("l")) //读取最新的区块链
return nil
})
if err != nil {
log.Panic(err)
}
bc := Blockchain{tip, db}
return bc
}
其中我们的区块链的基本原型为
type Blockchain struct {
tip []byte
Db *bolt.DB
}
type Block struct {
Timestamp int64
Transactions []*Transaction
PrevBlockHash []byte
Hash []byte
Nonce int
Height int
}
获取完成区块链实例后，我们创建出一个utxo集合，其数据结构为
type UTXOSet struct {
Blockchain *Blockchain
}
然后我们从钱包文件中获取我们的钱包集合（wallets）,接着调用我们的转账函数。
func NewUTXOTransaction(wallet *Wallet, to string, amount int, UTXOSet *UTXOSet) *Transaction {
var inputs []TXInput
var outputs []TXOutput
pubKeyHash := HashPubKey(wallet.PublicKey)
acc, validOutputs := UTXOSet.FindSpendableOutputs(pubKeyHash, amount) //找到能够使用的输出
if acc amount { //如果能够使用的输出小于目标值，则返回错误
log.Panic("ERROR: Not enough funds")
}
// Build a list of inputs
for txid, outs := range validOutputs {
txID, err := hex.DecodeString(txid)
if err != nil {
log.Panic(err)
}
for _, out := range outs {
input := TXInput{txID, out, nil, wallet.PublicKey}
inputs = append(inputs, input)
}
}
// Build a list of outputs
from := fmt.Sprintf("%s", wallet.GetAddress())
outputs = append(outputs, *NewTXOutput(amount, to)) //创建新的交易输出
if acc > amount {
outputs = append(outputs, *NewTXOutput(acc-amount, from)) // a change //找零输出
}
tx := Transaction{nil, inputs, outputs}
tx.ID = tx.Hash() //创建一笔交易
UTXOSet.Blockchain.SignTransaction(tx, wallet.PrivateKey) //对交易签名
return tx
}
对于一笔交易来说，其数据结构为
type Transaction struct {
ID []byte
Vin []TXInput
Vout []TXOutput
}
type TXInput struct {
Txid []byte
Vout int
Signature []byte
PubKey []byte
}
type TXOutput struct {
Value int
PubKeyHash []byte
}
type UTXOSet struct {
Blockchain *Blockchain
}
一笔交易来说，输出主要包含两部分： 一定量的比特币(Value)， 一个锁定脚本(ScriptPubKey)，要花这笔钱，必须要解锁该脚本。一个输入引用了之前交易的一个输出：Txid 存储的是之前交易的 ID，Vout 存储的是该输出在那笔交易中所有输出的索引（因为一笔交易可能有多个输出，需要有信息指明是具体的哪一个）Signature是签名，而Pubkey是公钥，两者保证了用户无法花费属于其他人的币。
func HashPubKey(pubKey []byte) []byte { // RIPEMD160(SHA256(PubKey))
publicSHA256 := sha256.Sum256(pubKey)
RIPEMD160Hasher := ripemd160.New()
_, err := RIPEMD160Hasher.Write(publicSHA256[:])
if err != nil {
log.Panic(err)
}
publicRIPEMD160 := RIPEMD160Hasher.Sum(nil)
return publicRIPEMD160
}
func (u UTXOSet) FindSpendableOutputs(pubkeyHash []byte, amount int) (int, map[string][]int) {
unspentOutputs := make(map[string][]int) //为输出开辟一块内存空间
accumulated := 0
db := u.Blockchain.db //获取存取区块链的数据库
err := db.View(func(tx *bolt.Tx) error { //读取数据库
b := tx.Bucket([]byte(utxoBucket))
c := b.Cursor()
for k, v := c.First(); k != nil; k, v = c.Next() { //遍历数据库
txID := hex.EncodeToString(k)
outs := DeserializeOutputs(v)
for outIdx, out := range outs.Outputs {
if out.IsLockedWithKey(pubkeyHash) accumulated amount { //如果能够解锁输出，代表utxo集中的输出是的所有者是该公钥所对应的人
accumulated += out.Value //累加值
unspentOutputs[txID] = append(unspentOutputs[txID], outIdx) //加到数组中
}
}
}
return nil
})
if err != nil {
log.Panic(err)
}
return accumulated, unspentOutputs
}
func (out *TXOutput) IsLockedWithKey(pubKeyHash []byte) bool { //判断输出是否能够被某个公钥解锁
return bytes.Compare(out.PubKeyHash, pubKeyHash) == 0
}
func NewTXOutput(value int, address string) *TXOutput {
txo := TXOutput{value, nil} //注册一个输出
txo.Lock([]byte(address)) //设置输出的pubhashkey
return txo
}
func (out *TXOutput) Lock(address []byte) {
pubKeyHash := Base58Decode(address)
pubKeyHash = pubKeyHash[1 : len(pubKeyHash)-4]
out.PubKeyHash = pubKeyHash
}
在创建新的输出时，我们必须找到所有的为花费的输出，并且确保他们有足够的价值（value），这就是FindSpendableOutputs 要做的事情，随后，对于每个找到的输出，会创建一个引用该输出的输入。接下来，我们创建两个输出：
- 一个由接收者地址锁定。这是给其他地址实际转移的币。
- 一个由发送者地址锁定。这是一个找零。只有当未花费输出超过新交易所需时产生。记住：输出是不可再分的。
func (bc *Blockchain) SignTransaction(tx *Transaction, privKey ecdsa.PrivateKey) {
prevTXs := make(map[string]Transaction)
for _, vin := range tx.Vin {
prevTX, err := bc.FindTransaction(vin.Txid)
if err != nil {
log.Panic(err)
}
prevTXs[hex.EncodeToString(prevTX.ID)] = prevTX
}
tx.Sign(privKey, prevTXs)
}
func (tx *Transaction) Sign(privKey ecdsa.PrivateKey, prevTXs map[string]Transaction) {//方法接受一个私钥和之前一个交易的map
if tx.IsCoinbase() {
return
}//判断是是否为发币交易，因为发币交易没有输入，故不用进行签名
for _, vin := range tx.Vin {
if prevTXs[hex.EncodeToString(vin.Txid)].ID == nil {
log.Panic("ERROR: Previous transaction is not correct")
}
}
txCopy := tx.TrimmedCopy() //将会被签名的是修剪后的交易副本，而不是一个完整的交易
for inID, vin := range txCopy.Vin {
prevTx := prevTXs[hex.EncodeToString(vin.Txid)]
txCopy.Vin[inID].Signature = nil
txCopy.Vin[inID].PubKey = prevTx.Vout[vin.Vout].PubKeyHash
//迭代副本中的每一个输入，在每个输入中，Pubkey 被设置为所引用输出的PubKeyHash
/
dataToSign := fmt.Sprintf("%x\n", txCopy)
r, s, err := ecdsa.Sign(rand.Reader, privKey, []byte(dataToSign))//我们通过private对txCopy进行签名将这串数字连接起来储存在signature中
if err != nil {
log.Panic(err)
}
signature := append(r.Bytes(), s.Bytes()...)
tx.Vin[inID].Signature = signature
txCopy.Vin[inID].PubKey = nil
}
}
func (tx *Transaction) TrimmedCopy() Transaction {
var inputs []TXInput
var outputs []TXOutput
for _, vin := range tx.Vin {//将输入的TXInput.Signature 和TXIput.PubKey设置为空
inputs = append(inputs, TXInput{vin.Txid, vin.Vout, nil, nil})
}
for _, vout := range tx.Vout {
outputs = append(outputs, TXOutput{vout.Value, vout.PubKeyHash})
}
txCopy := Transaction{tx.ID, inputs, outputs}
return txCopy
}
交易必须被签名，因为这是保证发送方不会花费其他人的币的唯一方式，如果一个签名是无效的，那么这笔交易也会被认为是无效的，因为这笔交易无法被加到区块链中。考虑到交易解锁的是之前的输出，然后重新分配里面的价值，并锁定新的输出，那么必须要签名一下的数据
- 存储在已经解锁输出的公钥哈希，他识别了一笔交易的发送方
- 存储在新的锁定输出里面的公钥哈希，他识别了一笔交易的接收方
- 新的输出值
因此，在比特币里，所签名的并不是一个交易，而是一个去除部分签名的输入的副本，输入里面存储了被引用输出的ScriptPubKey
如果现在进行过挖矿
cbTx := NewCoinbaseTX(from, "")
txs := []*Transaction{cbTx, tx}
newBlock := bc.MineBlock(txs)
UTXOSet.Update(newBlock)
func NewCoinbaseTX(to, data string) *Transaction {
if data == "" { //如果数据为空生成一个随机数据
randData := make([]byte, 20)
_, err := rand.Read(randData)
if err != nil {
log.Panic(err)
}
data = fmt.Sprintf("%x", randData)
}//生成一笔挖矿交易
txin := TXInput{[]byte{}, -1, nil, []byte(data)}
txout := NewTXOutput(subsidy, to)
tx := Transaction{nil, []TXInput{txin}, []TXOutput{*txout}}
tx.ID = tx.Hash()
return tx
}
func (bc *Blockchain) MineBlock(transactions []*Transaction) *Block { //开始挖矿
var lastHash []byte
var lastHeight int
for _, tx := range transactions {
// TODO: ignore transaction if it's not valid
if bc.VerifyTransaction(tx) != true {
log.Panic("ERROR: Invalid transaction") //对打包在区块中的交易进行认证
}
}
err := bc.db.View(func(tx *bolt.Tx) error {
b := tx.Bucket([]byte(blocksBucket))
lastHash = b.Get([]byte("l")) //获取最新的一个块的hash值
blockData := b.Get(lastHash)
block := DeserializeBlock(blockData) //将最新的一个块解序列
lastHeight = block.Height
return nil
})
if err != nil {
log.Panic(err)
}
newBlock := NewBlock(transactions, lastHash, lastHeight+1)
err = bc.db.Update(func(tx *bolt.Tx) error { //更新区块链数据库
b := tx.Bucket([]byte(blocksBucket))
err := b.Put(newBlock.Hash, newBlock.Serialize())
if err != nil {
log.Panic(err)
}
err = b.Put([]byte("l"), newBlock.Hash)
if err != nil {
log.Panic(err)
}
bc.tip = newBlock.Hash
return nil
})
if err != nil {
log.Panic(err)
}
return newBlock
}
func (bc *Blockchain) VerifyTransaction(tx *Transaction) bool {
if tx.IsCoinbase() {
return true
}
prevTXs := make(map[string]Transaction)
for _, vin := range tx.Vin {
prevTX, err := bc.FindTransaction(vin.Txid)
if err != nil {
log.Panic(err)
}
prevTXs[hex.EncodeToString(prevTX.ID)] = prevTX
}
return tx.Verify(prevTXs)
}
func (tx *Transaction) Verify(prevTXs map[string]Transaction) bool {
if tx.IsCoinbase() { //判断是否为大笔交易
return true
}
for _, vin := range tx.Vin {
if prevTXs[hex.EncodeToString(vin.Txid)].ID == nil {
log.Panic("ERROR: Previous transaction is not correct") //判断输入地址的有效性
}
}
txCopy := tx.TrimmedCopy() //创建一个裁剪版本的交易副本
curve := elliptic.P256() //我们需要相同区块用于生成密钥对
for inID, vin := range tx.Vin {
prevTx := prevTXs[hex.EncodeToString(vin.Txid)]
txCopy.Vin[inID].Signature = nil
txCopy.Vin[inID].PubKey = prevTx.Vout[vin.Vout].PubKeyHash
r := big.Int{}
s := big.Int{}
sigLen := len(vin.Signature)
r.SetBytes(vin.Signature[:(sigLen / 2)])
s.SetBytes(vin.Signature[(sigLen / 2):])
x := big.Int{}
y := big.Int{}
keyLen := len(vin.PubKey)
x.SetBytes(vin.PubKey[:(keyLen / 2)])
y.SetBytes(vin.PubKey[(keyLen / 2):])
//这里我们解包存储在 TXInput.Signature 和 TXInput.PubKey 中的值，因为一个签名就是一对数字，一个公钥就是一对坐标。我们之前为了存储将它们连接在一起，现在我们需要对它们进行解包在 crypto/ecdsa 函数中使用
dataToVerify := fmt.Sprintf("%x\n", txCopy)
rawPubKey := ecdsa.PublicKey{curve, x, y}
if ecdsa.Verify(rawPubKey, []byte(dataToVerify), r, s) == false { //验证
return false
}
txCopy.Vin[inID].PubKey = nil
}
return true
}
func NewBlock(transactions []*Transaction, prevBlockHash []byte, height int) *Block {//产生一个新的块
block := Block{time.Now().Unix(), transactions, prevBlockHash, []byte{}, 0, height}//定义数据结构
pow := NewProofOfWork(block) //定义工作量证明的数据结构
nonce, hash := pow.Run() //挖矿
block.Hash = hash[:]
block.Nonce = nonce
return block
}
func (pow *ProofOfWork) Run() (int, []byte) {
var hashInt big.Int
var hash [32]byte
nonce := 0
fmt.Printf("Mining a new block")
for nonce maxNonce {
data := pow.prepareData(nonce)
hash = sha256.Sum256(data)
fmt.Printf("\r%x", hash)
hashInt.SetBytes(hash[:])
if hashInt.Cmp(pow.target) == -1 {
break
} else {
nonce++
}
}
fmt.Print("\n\n")
return nonce, hash[:]
}
func (pow *ProofOfWork) prepareData(nonce int) []byte {
data := bytes.Join(
[][]byte{
pow.block.PrevBlockHash,
pow.block.HashTransactions(),
IntToHex(pow.block.Timestamp),
IntToHex(int64(targetBits)),
IntToHex(int64(nonce)),
},
[]byte{},
)
return data
}
func (u UTXOSet) Update(block *Block) {
db := u.Blockchain.db
err := db.Update(func(tx *bolt.Tx) error {
b := tx.Bucket([]byte(utxoBucket))
for _, tx := range block.Transactions {
if tx.IsCoinbase() == false {
for _, vin := range tx.Vin {
updatedOuts := TXOutputs{}
outsBytes := b.Get(vin.Txid)
outs := DeserializeOutputs(outsBytes)
for outIdx, out := range outs.Outputs {
if outIdx != vin.Vout {
updatedOuts.Outputs = append(updatedOuts.Outputs, out)
}
}
if len(updatedOuts.Outputs) == 0 {
err := b.Delete(vin.Txid)
if err != nil {
log.Panic(err)
}
} else {
err := b.Put(vin.Txid, updatedOuts.Serialize())
if err != nil {
log.Panic(err)
}
}
}
}
newOutputs := TXOutputs{}
for _, out := range tx.Vout {
newOutputs.Outputs = append(newOutputs.Outputs, out)
}
err := b.Put(tx.ID, newOutputs.Serialize())
if err != nil {
log.Panic(err)
}
}
return nil
})
if err != nil {
log.Panic(err)
}
}
参考
https://jeiwan.cc/
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