区块链入门 ③ - 交易

时间：2023-01-09 22:12:57

交易

概述

比特币交易本质上包含交易参与者价值转移的相关信息数据结构。比特币区块链是一本全球复式记账总账簿，每笔交易都是在比特币区块链上的一个公开记录。

本章中使用术语“钱包”时，我们指的是构建交易的软件，而不仅仅是包含密钥的数据库。

前置知识

UTXO

UTXO，即“未花费的交易输出”（unspent transaction outputs）。所有 UTXO 的集合被称为 UTXO 集。UTXO 集大小在新的 UTXO 增加时而增长，并在 UTXO 被消耗时而缩小。每一个交易都代表 UTXO 集中的变化（状态转换）。

  • UTXO 的最小单位是八位小数的“聪”。
  • UTXO 是面值为“聪”的离散且不可分割的价值单位，一个 UTXO 只能在一次交易中作为一个整体被消耗。如果一个 UTXO 面值大于一笔交易所需，它仍然必须作为整体全部使用，但同时会在交易中生成零头。比特币应用可以使用一些策略来满足付款需求：组合若干小额 UTXO，并算出准确的找零；或者使用一个比交易额大的 UTXO 然后进行找零。
  • 交易会消耗先前记录的未使用的 UTXO，并创建可供未来交易使用的新的 UTXO。通过这种方式，大量的比特币在消费和创建 UTXO 的交易链中在所有者之间进行转移。
  • “币基交易”（Coinbase Transaction）：每个区块中的第一笔交易，这笔交易由“获胜”矿工设置，创建全新比特币并支付给该矿工作为采矿奖励。币基交易并不消费 UTXO，相反，它有一种称为“coinbase”的特殊类型的输入。

余额

用户的比特币“余额”是指用户钱包中可用的 UTXO总和，它们可能分散在数百个交易和区块中。比特币钱包通过扫描区块链并汇聚所有属于该钱包控制的私钥的 UTXO 来计算该用户的余额。

比特币脚本语言

区块链入门 ③ - 交易

比特币的脚本语言是一种基于栈的语言。脚本语言通过从左到右处理每个项目来执行脚本。

  • 数字（数据常量）被推到栈上。操作码（Operators）从栈中推送或弹出一个或多个参数，对其执行操作，并可能将结果推送到栈上。例如，操作码 OP_ADD 将从栈中弹出两个项目，添加它们，并将结果的总和推送到栈上。
  • 条件操作码（Conditional operators）对一个条件进行计算，产生一个 TRUE 或 FALSE 的布尔结果（boolean result）。例如，OP_EQUAL 从栈中弹出两个项目，如果它们相等，则推送为 TRUE（由数字 1 表示），否则推送为 FALSE（由数字 0 表示）。

比特币数字签名

数字签名是一种由两部分组成的数学方案：第一部分是使用私钥对数据创建签名的算法；第二部分是允许在给定数据和公钥时验证签名合法性的算法。比特币中使用的数字签名算法是椭圆曲线数字签名算法（Elliptic Curve Digital Signature Algorithm，ECDSA）

  • 创建签名

在比特币的 ECDSA 算法的实现中，被签名的“消息”是交易，或更确切地说是交易中特定数据子集的哈希值。签名密钥是用户的私钥，结果就是签名，签名 Sig 由两个值组成，称为 R 和 S：Sig = (R, S)。

具体流程如下：

  1. 签名算法首先生成一个临时密钥对。临时密钥对基于随机数 k，用作临时私钥。如果使用相同的值 k 在不同的消息（交易）上生成两个签名，那么任何人都可以计算出签名私钥！！！
  2. 利用 k，我们生成相应的临时公钥 P（以 P=k*G 计算，与派生比特币公钥相同）。
  3. 数字签名的R值则是临时公钥 P 的 x 轴坐标。
  4. 数字签名的S值：
    $$
    S = k^{-1}(Hash(m) + dA * R) mod n
    $$

其中：

  • k是临时私钥
  • R是临时公钥的 x 坐标
  • dA是签名私钥
  • m是交易数据（或其部分）
  • n是椭圆曲线的阶
  • 验证签名

验证使用数据（交易或其部分的哈希值），签名者的公钥和签名（R 和 S 值）来计算值 P，该值是椭圆曲线上的一个点，如果计算出的点P的x坐标等于R，则签名有效。

$$
P = S^{-1} Hash(m)G + S^{-1}R*Qa
$$

其中：

  • R和S是签名值

  • Qa是签名者的公钥

  • m是交易数据（或其部分）

  • G是椭圆曲线生成点

  • 数字签名的用途：

    • 身份认证性 : 签名证明私钥的所有者，即资金所有者，已经授权支出这些资金。
    • 不可否认性 : 授权证明是不可否认的（不可否认性）。
    • 完整性 : 签名证明交易（或交易的特定部分）在签名之后没有也不能被任何人修改。

交易输出

每一笔比特币交易都会创造输出，并被比特币账簿（区块链）记录下来。除特例之外，几乎所有的输出都能创造 UTXO。

交易输出包含两部分：

  • "value"：一定量的比特币，面值为“聪”（satoshis）。
  • "scriptPubKey"：作为花费输出所需条件的加密难题（cryptographic puzzle），也被称为锁定脚本（locking script）、见证脚本（witness script），或脚本公钥（scriptPubKey）。
{
    ...
    "vout": [
        {
            "value": 0.01500000,
            "scriptPubKey": "OP_DUP OP_HASH160 ab68025513c3dbd2f7b92a94e0581f5d50f654e7 OP_EQUALVERIFY OP_CHECKSIG"
        },
        {
            "value": 0.08450000,
            "scriptPubKey": "OP_DUP OP_HASH160 7f9b1a7fb68d60c536c2fd8aeaa53a8f3cc025a8 OP_EQUALVERIFY OP_CHECKSIG"
        }
    ]
}

交易输入

交易输入将 UTXO（通过被引用）标记为将被消费，并通过解锁脚本提供所有权证明。

交易输入包含四部分：

  • "txid"：一个交易 ID，引用包含正在使用的 UTXO 的交易（不是 UTXO）。
  • "vout"：一个输出索引，用于标识来自该交易中的第几个 UTXO被引用（一个交易可能存在多个输出，第一个为零）。
  • "scriptSig"：一个解锁脚本，钱包构建它是为了满足 UTXO 中设置的消费条件，满足放置在 UTXO 上的支付条件，解锁支出。
  • "scriptSig"：一个序列号，与时间锁有关。
{
    ...
    "vin": [
        {
            "txid": "7957a35fe64f80d234d76d83a2a8f1a0d8149a41d81de548f0a65a8a999f6f18",
            "vout": 0,
            "scriptSig": "3045022100884d142d86652a3f47ba4746ec719bbfbd040a570b1deccbb6498c75c4ae24cb02204b9f039ff08df09cbe9f6addac960298cad530a863ea8f53982c09db8f6e3813[ALL]0484ecc0d46f1918b30928fa0e4ed99f16a0fb4fde0735e7ade8416ab9fe423cc5412336376789d172787ec3457eee41c04f4938de5cc17b4a10fa336a8d752adf",
            "sequence": 4294967295
        }
    ]
}
  • 注意：交易输入中仅包含了“txid”，需要首先从区块链中检索引用的 UTXO，来获取该 UTXO 的面值和锁定条件。

交易脚本

比特币网络处理的大多数交易花费的是由“付款至公钥散列”（Pay-to-Public-Key-Hash，P2PKH）脚本锁定的输出。

相应的锁定脚本和解锁脚本如下：

  • 锁定脚本（scriptPubKey）：锁定脚本是一个放置在输出上的花费条件：它指定了今后花费这笔输出必须要满足的条件。其包含一个公钥散列（hash）值，即我们常说的比特币地址。
  • 解锁脚本（scriptSig）：解锁脚本是“解决”或满足输出上锁定脚本设定的花费条件并允许花费输出的脚本。解锁脚本是交易输入的一部分，其包含散列值对应的公钥和由相应私钥创建的数字签名。

区块链入门 ③ - 交易

每个比特币验证节点将通过一起执行锁定和解锁脚本来验证交易。

  1. 每个输入都包含一个解锁脚本，并引用先前存在的 UTXO。
  2. 验证软件将复制解锁脚本，检索输入引用的 UTXO，并从该 UTXO 复制锁定脚本。
  3. 然后按顺序执行解锁和锁定脚本。如果解锁脚本满足锁定脚本条件，则输入有效。所有输入都是独立验证的，作为交易整体验证的一部分。

例子：

  • 锁定脚本
OP_DUP OP_HASH160 <Cafe Public Key Hash> OP_EQUALVERIFY OP_CHECKSIG
  • 解锁脚本
<Cafe Signature> <Cafe Public Key>
  • 组合验证脚本
<Cafe Signature> <Cafe Public Key> OP_DUP OP_HASH160 <Cafe Public Key Hash> OP_EQUALVERIFY OP_CHECKSIG
  • 验证流程

区块链入门 ③ - 交易

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签名散列类型

区块链入门 ③ - 交易

比特币签名有一种方法，用于通过使用 SIGHASH 标志来指示交易数据的某一部分包含在由私钥签名的散列中。

每个输入可能在其解锁脚本中包含一个签名。因此，包含多个输入的交易可以拥有具有不同 SIGHASH 标志的多个签名，这些标志在每个输入中承诺交易的不同部分。

有三个 SIGHASH 标志：ALL，NONE 和 SINGLE。

SIGHASH flag Value Description
ALL 0x01 签名应用到所有输出输入
NONE 0x02 签名只应用到所有输入，不包括任何输出
SINGLE 0x03 签名应用到所有输入和与签名输入具有相同索引号的那个输出

另外还有一个修饰符标志 SIGHASH_ANYONECANPAY，它可以与前面的每个标志组合使用。

当设置 ANYONECANPAY 时，只有当前输入被签名，其余的（及其序列号）保持开放以进行修改。 ANYONECANPAY 的值为 0x80，并通过按位 OR 运算，得到如下表所示组合标志：

SIGHASH flag Value Description
ALL ANYONECANPAY 0x81
NONE ANYONECANPAY 0x82
SINGLE ANYONECANPAY 0x83

应用 sighash 标志的方式：

  1. 根据使用的 SIGHASH 标志，生成交易的副本并截断其中的某些字段（设置为零长度并清空）。
  2. 序列化交易副本，将 SIGHASH 标志被添加到序列化交易的结尾。
  3. 将序列化交易副本 +SIGHASH 标志散列，得到的散列值即是被签名的“消息”。
  4. 因为在散列化前，SIGHASH 作为最后一步被包含在内，签名也会对 SIGHASH 类型进行签署，因此不能被更改（例如，不能被矿工修改）。

应用：

  • ALL|ANYONECANPAY：这种标记可以用来做“众筹”交易，众筹发起人可以用单笔输出来构建一个交易，这笔输出将“目标”金额付给众筹发起人。这样的交易显然是无效的，因为它没有输入。但是现在其他人可以通过添加自己的输入作为捐赠来修改它们，他们用 ALL|ANYONECANPAY 签署自己的输入，直到收集到足够的输入以达到输出的目标金额前，交易无效，每一笔捐款都是一种“承诺”，在募集够整个目标金额之前，筹款不能收回。
  • NONE：该结构可用于创建特定金额的“不记名支票”或“空白支票”。它对输入进行承诺，但允许输出锁定脚本被更改。任何人都可以将自己的比特币地址写入输出锁定脚本并兑换交易。
  • NONE|ANYONECANPAY：这种构造可以用来建造一个“吸尘器”。在钱包中拥有微小 UTXO 的用户无法花费这些费用，因为手续费超过了这些微小 UTXO 的价值。借助这种类型的签名，微小 UTXO 可以捐赠给任何愿意募集的人并由他们随时花费。

交易费

交易费是指输入和输出之间的差值。从所有输入中扣掉所有输出之后的剩余的金额是矿工收取的交易费。

  • 交易的数据结构本身没有交易费这个字段。
  • 交易费是以千字节为单位计算的，而不是比特币交易的金额，这意味着如果把大量小型 UTXO 作为输入可能需要支付更高的交易费。
  • 交易费作为矿工打包（挖矿）一笔交易到下一个区块中的一种激励；同时作为一种抑制因素，通过对每一笔交易收取小额费用来防止对系统的滥用。成功挖到某区块的矿工将得到该区内包含的交易费，并将该区块添加至区块链中。
  • 大多数情况下，交易费影响处理优先级，这意味着有足够费用的交易费更可能被打包进下一个挖出的区块中；任何创建交易的比特币服务，包括钱包、交易所、零售应用等，都必须实现交易费动态计算功能。
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