> For the complete documentation index, see [llms.txt](https://liuchengxu.gitbook.io/blockchain/llms.txt). Markdown versions of documentation pages are available by appending `.md` to page URLs; this page is available as [Markdown](https://liuchengxu.gitbook.io/blockchain/bitcoin/transactions-1.md). # 交易（1） ## 引言 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。今天，我们将会开始实现交易。不过，由于交易是很大的话题，我会把它分为两部分来讲：在今天这个部分，我们会实现交易的基本框架。在第二部分，我们会继续讨论它的一些细节。 由于比特币采用的是 UTXO 模型，并非账户模型，并不直接存在“余额”这个概念，余额需要通过遍历整个交易历史得来。 ## 比特币交易 点击 [这里](https://blockchain.info/zh-cn/tx/b6f6b339b546a13822192b06ccbdd817afea5311845f769702ae2912f7d94ab5) 在 blockchain.info 查看下图中的交易信息。 ![tx](/files/-LH3lZBkWL3sQyVt7iTp) 一笔交易由一些输入（input）和输出（output）组合而来： ```go type Transaction struct { ID []byte Vin []TXInput Vout []TXOutput } ``` 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： ![the interconnection of transactions](/files/z5tBMueqqVsoq3yTO8O6) 注意： 1. 有一些输出并没有被关联到某个输入上 2. 一笔交易的输入可以引用之前多笔交易的输出 3. 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。 ## 交易输出 先从输出（output）开始： ```go type TXOutput struct { Value int ScriptPubKey string } ``` 输出主要包含两部分： 1. 一定量的比特币(`Value`) 2. 一个锁定脚本(`ScriptPubKey`)，要花这笔钱，必须要解锁该脚本。 实际上，正是输出里面存储了“币”（注意，也就是上面的 `Value` 字段）。而这里的存储，指的是用一个数学难题对输出进行锁定，这个难题被存储在 `ScriptPubKey` 里面。在内部，比特币使用了一个叫做 *Script* 的脚本语言，用它来定义锁定和解锁输出的逻辑。虽然这个语言相当的原始（这是为了避免潜在的黑客攻击和滥用而有意为之），并不复杂，但是我们也并不会在这里讨论它的细节。你可以在[这里](https://en.bitcoin.it/wiki/Script) 找到详细解释。 > 在比特币中，`value` 字段存储的是 *satoshi* 的数量，而不是 BTC 的数量。一个 *satoshi* 等于一亿分之一的 BTC(0.00000001 BTC)，这也是比特币里面最小的货币单位（就像是 1 分的硬币）。 由于还没有实现地址（address），所以目前我们会避免涉及逻辑相关的完整脚本。`ScriptPubKey` 将会存储一个任意的字符串（用户定义的钱包地址）。 > 顺便说一下，有了一个这样的脚本语言，也意味着比特币其实也可以作为一个智能合约平台。 关于输出，非常重要的一点是：它们是**不可再分的（indivisible）**。也就是说，你无法仅引用它的其中某一部分。要么不用，如果要用，必须一次性用完。当一个新的交易中引用了某个输出，那么这个输出必须被全部花费。如果它的值比需要的值大，那么就会产生一个找零，找零会返还给发送方。这跟现实世界的场景十分类似，当你想要支付的时候，如果一个东西值 1 美元，而你给了一个 5 美元的纸币，那么你会得到一个 4 美元的找零。 ## 交易输入 这里是输入： ```go type TXInput struct { Txid []byte Vout int ScriptSig string } ``` 正如之前所提到的，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）。`ScriptSig` 是一个脚本，提供了可解锁输出结构里面 `ScriptPubKey` 字段的数据。如果 `ScriptSig` 提供的数据是正确的，那么输出就会被解锁，然后被解锁的值就可以被用于产生新的输出；如果数据不正确，输出就无法被引用在输入中，或者说，无法使用这个输出。这种机制，保证了用户无法花费属于其他人的币。 再次强调，由于我们还没有实现地址，所以目前 `ScriptSig` 将仅仅存储一个用户自定义的任意钱包地址。我们会在下一篇文章中实现公钥（public key）和签名（signature）。 来简要总结一下。输出，就是 “币” 存储的地方。每个输出都会带有一个解锁脚本，这个脚本定义了解锁该输出的逻辑。每笔新的交易，必须至少有一个输入和输出。一个输入引用了之前一笔交易的输出，并提供了解锁数据（也就是 `ScriptSig` 字段），该数据会被用在输出的解锁脚本中解锁输出，解锁完成后即可使用它的值去产生新的输出。 每一笔输入都是之前一笔交易的输出，那么假设从某一笔交易开始不断往前追溯，它所涉及的输入和输出到底是谁先存在呢？换个说法，这是个鸡和蛋谁先谁后的问题，是先有蛋还是先有鸡呢？ ## 先有蛋 在比特币中，是先有蛋，然后才有鸡。输入引用输出的逻辑，是经典的“蛋还是鸡”问题：输入先产生输出，然后输出使得输入成为可能。在比特币中，最先有输出，然后才有输入。换而言之，第一笔交易只有输出，没有输入。 当矿工挖出一个新的块时，它会向新的块中添加一个 **coinbase** 交易。coinbase 交易是一种特殊的交易，它不需要引用之前一笔交易的输出。它“凭空”产生了币（也就是产生了新币），这是矿工获得挖出新块的奖励，也可以理解为“发行新币”。 在区块链的最初，也就是第一个块，叫做创世块。正是这个创世块，产生了区块链最开始的输出。对于创世块，不需要引用之前的交易输出。因为在创世块之前根本不存在交易，也就没有不存在交易输出。 来创建一个 coinbase 交易： ```go func NewCoinbaseTX(to, data string) *Transaction { if data == "" { data = fmt.Sprintf("Reward to '%s'", to) } txin := TXInput{[]byte{}, -1, data} txout := TXOutput{subsidy, to} tx := Transaction{nil, []TXInput{txin}, []TXOutput{txout}} tx.SetID() return &tx } ``` coinbase 交易只有一个输出，没有输入。在我们的实现中，它表现为 `Txid` 为空，`Vout` 等于 -1。并且，在当前实现中，coinbase 交易也没有在 `ScriptSig` 中存储脚本，而只是存储了一个任意的字符串 `data`。 > 在比特币中，第一笔 coinbase 交易包含了如下信息：“The Times 03/Jan/2009 Chancellor on brink of second bailout for banks”。[可点击这里查看](https://blockchain.info/tx/4a5e1e4baab89f3a32518a88c31bc87f618f76673e2cc77ab2127b7afdeda33b?show_adv=true). `subsidy` 是挖出新块的奖励金。在比特币中，实际并没有存储这个数字，而是基于区块总数进行计算而得：区块总数除以 210000 就是 `subsidy`。挖出创世块的奖励是 50 BTC，每挖出 `210000` 个块后，奖励减半。在我们的实现中，这个奖励值将会是一个常量（至少目前是）。 ## 将交易保存到区块链 从现在开始，每个块必须存储至少一笔交易。如果没有交易，也就不可能出新的块。这意味着我们应该移除 `Block` 的 `Data` 字段，取而代之的是存储交易： ```go type Block struct { Timestamp int64 Transactions []*Transaction PrevBlockHash []byte Hash []byte Nonce int } ``` `NewBlock` 和 `NewGenesisBlock` 也必须做出相应改变： ```go func NewBlock(transactions []*Transaction, prevBlockHash []byte) *Block { block := &Block{time.Now().Unix(), transactions, prevBlockHash, []byte{}, 0} ... } func NewGenesisBlock(coinbase *Transaction) *Block { return NewBlock([]*Transaction{coinbase}, []byte{}) } ``` 接下来修改创建区块链的函数： ```go func CreateBlockchain(address string) *Blockchain { ... err = db.Update(func(tx *bolt.Tx) error { cbtx := NewCoinbaseTX(address, genesisCoinbaseData) genesis := NewGenesisBlock(cbtx) b, err := tx.CreateBucket([]byte(blocksBucket)) err = b.Put(genesis.Hash, genesis.Serialize()) ... }) ... } ``` 现在，这个函数会接受一个地址作为参数，这个地址将会被用来接收挖出创世块的奖励。 ## 工作量证明 工作量证明算法必须要将存储在区块里面的交易考虑进去，从而保证区块链交易存储的一致性和可靠性。所以，我们必须修改 `ProofOfWork.prepareData` 方法： ```go func (pow *ProofOfWork) prepareData(nonce int) []byte { data := bytes.Join( [][]byte{ pow.block.PrevBlockHash, pow.block.HashTransactions(), // This line was changed IntToHex(pow.block.Timestamp), IntToHex(int64(targetBits)), IntToHex(int64(nonce)), }, []byte{}, ) return data } ``` 不像之前使用 `pow.block.Data`，现在我们使用 `pow.block.HashTransactions()` ： ```go func (b *Block) HashTransactions() []byte { var txHashes [][]byte var txHash [32]byte for _, tx := range b.Transactions { txHashes = append(txHashes, tx.ID) } txHash = sha256.Sum256(bytes.Join(txHashes, []byte{})) return txHash[:] } ``` 通过哈希提供数据的唯一表示，这种做法我们已经不是第一次遇到了。我们想要通过仅仅一个哈希，就可以识别一个块里面的所有交易。为此，先获得每笔交易的哈希，然后将它们关联起来，最后获得一个连接后的组合哈希。 > 比特币使用了一个更加复杂的技术：它将一个块里面包含的所有交易表示为一个 [Merkle tree](https://en.wikipedia.org/wiki/Merkle_tree) ，然后在工作量证明系统中使用树的根哈希（root hash）。这个方法能够让我们快速检索一个块里面是否包含了某笔交易，即只需 root hash 而无需下载所有交易即可完成判断。 来检查一下到目前为止是否正确： ```bash $ blockchain_go createblockchain -address Ivan 00000093450837f8b52b78c25f8163bb6137caf43ff4d9a01d1b731fa8ddcc8a Done! ``` 很好！我们已经获得了第一笔挖矿奖励，但是，我们要如何查看余额呢？ ## 未花费交易输出 我们需要找到所有的未花费交易输出（unspent transactions outputs, UTXO）。**未花费（unspent）** 指的是这个输出还没有被包含在任何交易的输入中，或者说没有被任何输入引用。在上面的图示中，未花费的输出是： 1. tx0, output 1; 2. tx1, output 0; 3. tx3, output 0; 4. tx4, output 0. 当然了，检查余额时，我们并不需要知道整个区块链上所有的 UTXO，只需要关注那些我们能够解锁的那些 UTXO（目前我们还没有实现密钥，所以我们将会使用用户定义的地址来代替）。首先，让我们定义在输入和输出上的锁定和解锁方法： ```go func (in *TXInput) CanUnlockOutputWith(unlockingData string) bool { return in.ScriptSig == unlockingData } func (out *TXOutput) CanBeUnlockedWith(unlockingData string) bool { return out.ScriptPubKey == unlockingData } ``` 在这里，我们只是将 script 字段与 `unlockingData` 进行了比较。在后续文章我们基于私钥实现了地址以后，会对这部分进行改进。 下一步，找到包含未花费输出的交易，这一步其实相当困难： ```go func (bc *Blockchain) FindUnspentTransactions(address string) []Transaction { var unspentTXs []Transaction spentTXOs := make(map[string][]int) bci := bc.Iterator() for { block := bci.Next() for _, tx := range block.Transactions { txID := hex.EncodeToString(tx.ID) Outputs: for outIdx, out := range tx.Vout { // Was the output spent? if spentTXOs[txID] != nil { for _, spentOut := range spentTXOs[txID] { if spentOut == outIdx { continue Outputs } } } if out.CanBeUnlockedWith(address) { unspentTXs = append(unspentTXs, *tx) } } if tx.IsCoinbase() == false { for _, in := range tx.Vin { if in.CanUnlockOutputWith(address) { inTxID := hex.EncodeToString(in.Txid) spentTXOs[inTxID] = append(spentTXOs[inTxID], in.Vout) } } } } if len(block.PrevBlockHash) == 0 { break } } return unspentTXs } ``` 由于交易被存储在区块里，所以我们不得不检查区块链里的每一笔交易。从输出开始： ```go if out.CanBeUnlockedWith(address) { unspentTXs = append(unspentTXs, tx) } ``` 如果一个输出被一个地址锁定，并且这个地址恰好是我们要找的地址，那么这个输出就是我们想要的。不过在获取它之前，我们需要检查该输出是否已经被包含在一个交易的输入中，也就是检查它是否已经被花费了： ```go if spentTXOs[txID] != nil { for _, spentOut := range spentTXOs[txID] { if spentOut == outIdx { continue Outputs } } } ``` 我们跳过那些已经被包含在其他输入中的输出（这说明这个输出已经被花费，无法再用了）。检查完输出以后，我们将给定地址所有能够解锁输出的输入聚集起来（这并不适用于 coinbase 交易，因为它们不解锁输出）： ```go if tx.IsCoinbase() == false { for _, in := range tx.Vin { if in.CanUnlockOutputWith(address) { inTxID := hex.EncodeToString(in.Txid) spentTXOs[inTxID] = append(spentTXOs[inTxID], in.Vout) } } } ``` 这个函数返回了一个交易列表，里面包含了未花费输出。为了计算余额，我们还需要一个函数将这些交易作为输入，然后仅返回一个输出： ```go func (bc *Blockchain) FindUTXO(address string) []TXOutput { var UTXOs []TXOutput unspentTransactions := bc.FindUnspentTransactions(address) for _, tx := range unspentTransactions { for _, out := range tx.Vout { if out.CanBeUnlockedWith(address) { UTXOs = append(UTXOs, out) } } } return UTXOs } ``` 就是这么多了！现在我们来实现 `getbalance` 命令： ```go func (cli *CLI) getBalance(address string) { bc := NewBlockchain(address) defer bc.db.Close() balance := 0 UTXOs := bc.FindUTXO(address) for _, out := range UTXOs { balance += out.Value } fmt.Printf("Balance of '%s': %d\n", address, balance) } ``` 账户余额就是由账户地址锁定的所有未花费交易输出的总和。 在挖出创世块以后，来检查一下我们的余额： ```bash $ blockchain_go getbalance -address Ivan Balance of 'Ivan': 10 ``` 这就是我们的第一笔钱！ ## 发送币 现在，我们想要给其他人发送一些币。为此，我们需要创建一笔新的交易，将它放到一个块里，然后挖出这个块。之前我们只实现了 coinbase 交易（这是一种特殊的交易），现在我们需要一种通用的普通交易： ```go func NewUTXOTransaction(from, to string, amount int, bc *Blockchain) *Transaction { var inputs []TXInput var outputs []TXOutput acc, validOutputs := bc.FindSpendableOutputs(from, amount) if acc < amount { log.Panic("ERROR: Not enough funds") } // Build a list of inputs for txid, outs := range validOutputs { txID, err := hex.DecodeString(txid) for _, out := range outs { input := TXInput{txID, out, from} inputs = append(inputs, input) } } // Build a list of outputs outputs = append(outputs, TXOutput{amount, to}) if acc > amount { outputs = append(outputs, TXOutput{acc - amount, from}) // a change } tx := Transaction{nil, inputs, outputs} tx.SetID() return &tx } ``` 在创建新的输出前，我们首先必须找到所有的未花费输出，并且确保它们有足够的价值（value），这就是 `FindSpendableOutputs` 方法要做的事情。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： 1. 一个由接收者地址锁定。这是给其他地址实际转移的币。 2. 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**。 `FindSpendableOutputs` 方法基于之前定义的 `FindUnspentTransactions` 方法： ```go func (bc *Blockchain) FindSpendableOutputs(address string, amount int) (int, map[string][]int) { unspentOutputs := make(map[string][]int) unspentTXs := bc.FindUnspentTransactions(address) accumulated := 0 Work: for _, tx := range unspentTXs { txID := hex.EncodeToString(tx.ID) for outIdx, out := range tx.Vout { if out.CanBeUnlockedWith(address) && accumulated < amount { accumulated += out.Value unspentOutputs[txID] = append(unspentOutputs[txID], outIdx) if accumulated >= amount { break Work } } } } return accumulated, unspentOutputs } ``` 这个方法对所有的未花费交易进行迭代，并对它的值进行累加。当累加值大于或等于我们想要传送的值时，它就会停止并返回累加值，同时返回的还有通过交易 ID 进行分组的输出索引。我们只需取出足够支付的钱就够了。 现在，我们可以修改 `Blockchain.MineBlock` 方法： ```go func (bc *Blockchain) MineBlock(transactions []*Transaction) { ... newBlock := NewBlock(transactions, lastHash) ... } ``` 最后，让我们来实现 `send` 方法： ```go func (cli *CLI) send(from, to string, amount int) { bc := NewBlockchain(from) defer bc.db.Close() tx := NewUTXOTransaction(from, to, amount, bc) bc.MineBlock([]*Transaction{tx}) fmt.Println("Success!") } ``` 发送币意味着创建新的交易，并通过挖出新块的方式将交易打包到区块链中。不过，比特币并不是一连串立刻完成这些事情（虽然我们目前的实现是这么做的）。相反，它会将所有新的交易放到一个内存池中（mempool），然后当矿工准备挖出一个新块时，它就从内存池中取出所有交易，创建一个候选块。只有当包含这些交易的块被挖出来，并添加到区块链以后，里面的交易才开始确认。 让我们来检查一下发送币是否能工作： ```bash $ blockchain_go send -from Ivan -to Pedro -amount 6 00000001b56d60f86f72ab2a59fadb197d767b97d4873732be505e0a65cc1e37 Success! $ blockchain_go getbalance -address Ivan Balance of 'Ivan': 4 $ blockchain_go getbalance -address Pedro Balance of 'Pedro': 6 ``` 很好！现在，让我们创建更多的交易，确保从多个输出中发送币也正常工作： ```bash $ blockchain_go send -from Pedro -to Helen -amount 2 00000099938725eb2c7730844b3cd40209d46bce2c2af9d87c2b7611fe9d5bdf Success! $ blockchain_go send -from Ivan -to Helen -amount 2 000000a2edf94334b1d94f98d22d7e4c973261660397dc7340464f7959a7a9aa Success! ``` 现在，Helen 的币被锁定在了两个输出中：一个来自 Pedro，一个来自 Ivan。让我们把它们发送给其他人： ```bash $ blockchain_go send -from Helen -to Rachel -amount 3 000000c58136cffa669e767b8f881d16e2ede3974d71df43058baaf8c069f1a0 Success! $ blockchain_go getbalance -address Ivan Balance of 'Ivan': 2 $ blockchain_go getbalance -address Pedro Balance of 'Pedro': 4 $ blockchain_go getbalance -address Helen Balance of 'Helen': 1 $ blockchain_go getbalance -address Rachel Balance of 'Rachel': 3 ``` 看起来没问题！现在，来测试一些失败的情况： ```bash $ blockchain_go send -from Pedro -to Ivan -amount 5 panic: ERROR: Not enough funds $ blockchain_go getbalance -address Pedro Balance of 'Pedro': 4 $ blockchain_go getbalance -address Ivan Balance of 'Ivan': 2 ``` ## 总结 虽然不容易，但是现在终于实现交易了！不过，我们依然缺少了一些像比特币那样的一些关键特性： 1. 地址（address）。我们还没有基于私钥（private key）的真实地址。 2. 奖励（reward）。现在挖矿是肯定无法盈利的！ 3. UTXO 集。获取余额需要扫描整个区块链，而当区块非常多的时候，这么做就会花费很长时间。并且，如果我们想要验证后续交易，也需要花费很长时间。而 UTXO 集就是为了解决这些问题，加快交易相关的操作。 4. 内存池（mempool）。在交易被打包到块之前，这些交易被存储在内存池里面。在我们目前的实现中，一个块仅仅包含一笔交易，这是相当低效的。 参考: \[1] [Full source codes](https://github.com/Jeiwan/blockchain_go/tree/part_4) \[2] [Transaction](https://en.bitcoin.it/wiki/Transaction) \[3] [Merkle tree](https://en.bitcoin.it/wiki/Protocol_documentation#Merkle_Trees) \[4] [Coinbase](https://en.bitcoin.it/wiki/Coinbase) \[5] [part\_4](https://github.com/Jeiwan/blockchain_go/tree/part_4) \[6] [Building Blockchain in Go. Part 4: Transactions 1](https://jeiwan.cc/posts/building-blockchain-in-go-part-4/)