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[Go语言] 教你用go语言实现比特币交易功能(Transaction)

编程语言 编程语言 发布于:2021-06-29 22:47 | 阅读数:235 | 评论:0

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:
DSC0000.jpg

  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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