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從Go語言編碼角度解釋實現簡易區塊鏈——實現交易

阿新 • • 發佈：2019-10-30

在公鏈基礎上實現區塊鏈交易

區塊鏈的目的，是能夠安全可靠的儲存交易，比如我們常見的比特幣的交易，這裡我們會以比特幣為例實現區塊鏈上的通用交易。上一節用簡單的資料結構完成了區塊鏈的公鏈，本節在此基礎上對區塊鏈的交易部分進行實現。實現公鏈

交易機制

在區塊鏈中，交易一旦被建立，就沒有任何人能夠再去修改或是刪除它，本節將實現一個交易的基本框架，具體交易細節將會在之後給出。

以比特幣為例，不同於一般概念的賬戶模型，其交易採用的是UTXO模型。我們所需要的資訊，都間接的包含在了每一筆交易中，包括使用者的餘額資訊。

對於每一筆交易，你可以想象成一個通道，通道的左端有若干個輸入資訊，通道的右端會有若干輸出資訊。輸入資訊代表的意義是，該交易所用的幣是從何而來，一條交易可以有0到多個幣源（0是特殊情況，即被挖出的礦，因為沒有使用者來源，所以沒有輸入資訊）。輸出資訊代表的意義是，進行該交易後，數字貨幣變動到哪裡去了。因此，一條交易資訊中貨幣的輸入數量與輸出數量應該是等價的，數字貨幣的來源總和，等於數字貨幣的輸出總和。不難想象，與傳統的賬戶模型相比，在UTXO模型中使用者的賬戶餘額是記錄在交易的輸出部分。

舉個最簡單的例子，假設A需要給B支付了一個比特幣，將執行以下流程：

  1. 檢視當前已有的交易資訊，找到交易輸出指向自己的交易並將餘額計入總和
  2. 判斷當前交易資訊輸出中是否有足夠的數字貨幣屬於自己
  3. 當餘額不足時，提示餘額不足資訊
  4. 當餘額充足時，新建一條交易，即一個UTXO
  5. 該UTXO的輸出資訊是消費使用者的部分餘額（不需要消費使用者的所有餘額，只要滿足夠用就行），而使用者的餘額是記錄在之前已有的UTXO的輸出中，所以新交易的輸入，便是之前某些交易的輸出。
  6. 當用戶找到的餘額數量與本次交易所需的數量不相等時，使用者可以將剩下的貨幣再向自己輸出，即找零，以保證交易的輸入與輸出相等

這樣我們就實現了一個簡單的交易，在這場交易中有貨幣的來源，貨幣有明確的去向，同時攜帶了我們正在進行的交易資訊。

之後我們將結合程式碼，讓這種邏輯變得更加清晰，下面這張圖是對UTXO模型的簡單描述：

Coinbase交易是特殊的一種交易，它表示礦工挖出了新的礦，作用是將新挖出的礦加入公鏈中並將輸出指向挖礦的礦工。

該例子表示，張三挖礦得到12.5個比特幣，然後支付了2.5個給李四，自己剩餘10比特幣，之後張三李四各支付2.5個比特幣給王五，最終張三還剩7.5個比特幣，李四餘額用盡，王五剩餘5個比特幣，總和12.5等於張三挖出的總礦幣。

編碼實現

與之前已經完成的實現公鏈的程式碼相比，區塊鏈的交易需要新建一個transaction.go檔案，用來實現交易邏輯。其餘檔案中的程式碼，會跟隨交易機制的加入進行微小的調整。

transaction.go

以下為transaction.go的程式碼：

package main

import (
    "bytes"
    "crypto/sha256"
    "encoding/gob"
    "encoding/hex"
    "fmt"
    "log"
)

const subsidy = 10

// Transaction represents a Bitcoin transaction
type Transaction struct {
    ID   []byte
    Vin  []TXInput
    Vout []TXOutput
}

// IsCoinbase checks whether the transaction is coinbase
func (tx Transaction) IsCoinbase() bool {
    return len(tx.Vin) == 1 && len(tx.Vin[0].Txid) == 0 && tx.Vin[0].Vout == -1
}

// SetID sets ID of a transaction
func (tx *Transaction) SetID() {
    var encoded bytes.Buffer
    var hash [32]byte

    enc := gob.NewEncoder(&encoded)
    err := enc.Encode(tx)
    if err != nil {
        log.Panic(err)
    }
    hash = sha256.Sum256(encoded.Bytes())
    tx.ID = hash[:]
}

// TXInput represents a transaction input
type TXInput struct {
    Txid      []byte
    Vout      int
    ScriptSig string
}

// TXOutput represents a transaction output
type TXOutput struct {
    Value        int
    ScriptPubKey string
}

// CanUnlockOutputWith checks whether the address initiated the transaction
func (in *TXInput) CanUnlockOutputWith(unlockingData string) bool {
    return in.ScriptSig == unlockingData
}

// CanBeUnlockedWith checks if the output can be unlocked with the provided data
func (out *TXOutput) CanBeUnlockedWith(unlockingData string) bool {
    return out.ScriptPubKey == unlockingData
}

// NewCoinbaseTX creates a new coinbase transaction
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
}

// NewUTXOTransaction creates a new transaction
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)
        if err != nil {
            log.Panic(err)
        }

        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
}

程式碼主要包含以下內容：

  • Transaction 結構體，包含當前交易的ID(交易需要ID)、輸入陣列以及輸出陣列
  • IsCoinbase函式，用來判斷當前交易是否是Coinbase交易（挖礦交易）
  • SetID函式給交易設定id
  • TXInput 結構體，包含輸入的某條交易的id，該交易某個輸出的金額與地址
  • TXOutput 結構體，包含當前交易的某個輸出的金額與地址
  • CanUnlockOutputWith函式判斷提供的地址能否匹配某條交易記錄的輸入地址
  • CanBeUnlockedWith函式判斷提供的地址能否匹配某條交易記錄的輸出地址
  • NewCoinbaseTX函式建立一條挖礦交易
  • NewUTXOTransaction函式建立一條新的交易

關於TXInput與TXOutput中地址的問題，因為目前還沒有實現區塊鏈中的地址，所以本節涉及的地址直接用字串代替，驗證地址也只是進行了字串對比。地址是必要的，它標註了當前的餘額屬於誰，這裡因為剛實現交易機制，還沒有引入真正的地址機制，所以是存在漏洞的，使用者只要知道有哪些使用者就可以直接往自己地址轉錢，在下一節會實現地址機制進行完善。

block.go

在transaction.go中實現了交易的結構體，如何建立一條新的交易，以及簡單的交易物件判斷。在其餘檔案中，block.go檔案做了一些改動，主要是將原本的data字串換成了Transaction交易。同樣的，下一節中我們會將本節的地址字串換成相應機制的地址，以下是改動後的block.go檔案：

package main

import (
    "bytes"
    "crypto/sha256"
    "encoding/gob"
    "log"
    "time"
)

// Block keeps block headers
type Block struct {
    Timestamp     int64
    Transactions  []*Transaction
    PrevBlockHash []byte
    Hash          []byte
    Nonce         int
}

// Serialize serializes the block
func (b *Block) Serialize() []byte {
    var result bytes.Buffer
    encoder := gob.NewEncoder(&result)

    err := encoder.Encode(b)
    if err != nil {
        log.Panic(err)
    }

    return result.Bytes()
}

// HashTransactions returns a hash of the transactions in the block
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[:]
}

// NewBlock creates and returns Block
func NewBlock(transactions []*Transaction, prevBlockHash []byte) *Block {
    block := &Block{time.Now().Unix(), transactions, prevBlockHash, []byte{}, 0}
    pow := NewProofOfWork(block)
    nonce, hash := pow.Run()

    block.Hash = hash[:]
    block.Nonce = nonce

    return block
}

// NewGenesisBlock creates and returns genesis Block
func NewGenesisBlock(coinbase *Transaction) *Block {
    return NewBlock([]*Transaction{coinbase}, []byte{})
}

// DeserializeBlock deserializes a block
func DeserializeBlock(d []byte) *Block {
    var block Block

    decoder := gob.NewDecoder(bytes.NewReader(d))
    err := decoder.Decode(&block)
    if err != nil {
        log.Panic(err)
    }

    return &block
}

添加了HashTransactions函式，用來將交易轉換成雜湊值，其餘函式隨結構體中Data->Transactions的變動相應調整。

blockchain.go

在blockchain.go中，涉及到尋找使用者餘額（未花費交易輸出）操作，需要多做一些調整：

package main

import (
    "encoding/hex"
    "fmt"
    "log"
    "os"
    "bolt-master"
)

const dbFile = "blockchain.db"
const blocksBucket = "blocks"
const genesisCoinbaseData = "The Times 03/Jan/2009 Chancellor on brink of second bailout for banks"

// Blockchain implements interactions with a DB
type Blockchain struct {
    tip []byte
    db  *bolt.DB
}

// BlockchainIterator is used to iterate over blockchain blocks
type BlockchainIterator struct {
    currentHash []byte
    db          *bolt.DB
}

// MineBlock mines a new block with the provided transactions
func (bc *Blockchain) MineBlock(transactions []*Transaction) {
    var lastHash []byte

    err := bc.db.View(func(tx *bolt.Tx) error {
        b := tx.Bucket([]byte(blocksBucket))
        lastHash = b.Get([]byte("l"))

        return nil
    })

    if err != nil {
        log.Panic(err)
    }

    newBlock := NewBlock(transactions, lastHash)

    err = bc.db.Update(func(tx *bolt.Tx) error {
        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
    })
}

// FindUnspentTransactions returns a list of transactions containing unspent outputs
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
}

// FindUTXO finds and returns all unspent transaction outputs
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
}

// FindSpendableOutputs finds and returns unspent outputs to reference in inputs
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
}

// Iterator returns a BlockchainIterat
func (bc *Blockchain) Iterator() *BlockchainIterator {
    bci := &BlockchainIterator{bc.tip, bc.db}

    return bci
}

// Next returns next block starting from the tip
func (i *BlockchainIterator) Next() *Block {
    var block *Block

    err := i.db.View(func(tx *bolt.Tx) error {
        b := tx.Bucket([]byte(blocksBucket))
        encodedBlock := b.Get(i.currentHash)
        block = DeserializeBlock(encodedBlock)

        return nil
    })

    if err != nil {
        log.Panic(err)
    }

    i.currentHash = block.PrevBlockHash

    return block
}

func dbExists() bool {
    if _, err := os.Stat(dbFile); os.IsNotExist(err) {
        return false
    }

    return true
}

// NewBlockchain creates a new Blockchain with genesis Block
func NewBlockchain(address string) *Blockchain {
    if dbExists() == false {
        fmt.Println("No existing blockchain found. Create one first.")
        os.Exit(1)
    }

    var tip []byte
    db, err := bolt.Open(dbFile, 0600, nil)
    if err != nil {
        log.Panic(err)
    }

    err = db.Update(func(tx *bolt.Tx) error {
        b := tx.Bucket([]byte(blocksBucket))
        tip = b.Get([]byte("l"))

        return nil
    })

    if err != nil {
        log.Panic(err)
    }

    bc := Blockchain{tip, db}

    return &bc
}

// CreateBlockchain creates a new blockchain DB
func CreateBlockchain(address string) *Blockchain {
    if dbExists() {
        fmt.Println("Blockchain already exists.")
        os.Exit(1)
    }

    var tip []byte
    db, err := bolt.Open(dbFile, 0600, nil)
    if err != nil {
        log.Panic(err)
    }

    err = db.Update(func(tx *bolt.Tx) error {
        cbtx := NewCoinbaseTX(address, genesisCoinbaseData)
        genesis := NewGenesisBlock(cbtx)

        b, err := tx.CreateBucket([]byte(blocksBucket))
        if err != nil {
            log.Panic(err)
        }

        err = b.Put(genesis.Hash, genesis.Serialize())
        if err != nil {
            log.Panic(err)
        }

        err = b.Put([]byte("l"), genesis.Hash)
        if err != nil {
            log.Panic(err)
        }
        tip = genesis.Hash

        return nil
    })

    if err != nil {
        log.Panic(err)
    }

    bc := Blockchain{tip, db}

    return &bc
}

程式碼的主要變動是新增了三個關於交易的函式：

  • FindUnspendTransactions遍歷公鏈，尋找交易資訊中沒有被使用過輸出的交易，即未被花費過的餘額。當一條交易中的餘額被其他交易用做過輸入，該餘額也就不在具有餘額的屬性，不能再次被交易
  • FindUTXO在內部呼叫了FindUnspendTransactions函式，與FindUnspendTransactions不同的是它用於查詢使用者的餘額資訊，即所有有效未花費餘額的總和
  • FindSpendableOutputs在內部呼叫了FindUnspendTransactions函式，用於找出哪些餘額是可用的

其次，原本的Addblock被改成了更具體的Mineblock挖礦函式，新增了Createblockchain函式和dbExists函式，用來判斷資料庫是否存在，只有當資料庫中沒有公鏈時才能建立新的區塊鏈。

proofofwork.go

在proofofwork檔案中，僅在prepareData時將Data換成了HashTransactions，在挖礦時不再列印Data部分，proofofwork.go完整程式碼如下：

package main

import (
    "bytes"
    "crypto/sha256"
    "fmt"
    "math"
    "math/big"
)

var (
    maxNonce = math.MaxInt64
)

const targetBits = 24

// ProofOfWork represents a proof-of-work
type ProofOfWork struct {
    block  *Block
    target *big.Int
}

// NewProofOfWork builds and returns a ProofOfWork
func NewProofOfWork(b *Block) *ProofOfWork {
    target := big.NewInt(1)
    target.Lsh(target, uint(256-targetBits))

    pow := &ProofOfWork{b, target}

    return pow
}

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
}

// Run performs a proof-of-work
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[:]
}

// Validate validates block's PoW
func (pow *ProofOfWork) Validate() bool {
    var hashInt big.Int

    data := pow.prepareData(pow.block.Nonce)
    hash := sha256.Sum256(data)
    hashInt.SetBytes(hash[:])

    isValid := hashInt.Cmp(pow.target) == -1

    return isValid
}

cli.go

cli.go檔案隨底層的一些變動，做出相應的業務邏輯改變，變動主要用於實現命令列操作，不涉及區塊鏈的邏輯：

package main

import (
    "flag"
    "fmt"
    "log"
    "os"
    "strconv"
)

// CLI responsible for processing command line arguments
type CLI struct{}

func (cli *CLI) createBlockchain(address string) {
    bc := CreateBlockchain(address)
    bc.db.Close()
    fmt.Println("Done!")
}

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)
}

func (cli *CLI) printUsage() {
    fmt.Println("Usage:")
    fmt.Println("  getbalance -address ADDRESS - Get balance of ADDRESS")
    fmt.Println("  createblockchain -address ADDRESS - Create a blockchain and send genesis block reward to ADDRESS")
    fmt.Println("  printchain - Print all the blocks of the blockchain")
    fmt.Println("  send -from FROM -to TO -amount AMOUNT - Send AMOUNT of coins from FROM address to TO")
}

func (cli *CLI) validateArgs() {
    if len(os.Args) < 2 {
        cli.printUsage()
        os.Exit(1)
    }
}

func (cli *CLI) printChain() {
    // TODO: Fix this
    bc := NewBlockchain("")
    defer bc.db.Close()

    bci := bc.Iterator()

    for {
        block := bci.Next()

        fmt.Printf("Prev. hash: %x\n", block.PrevBlockHash)
        fmt.Printf("Hash: %x\n", block.Hash)
        pow := NewProofOfWork(block)
        fmt.Printf("PoW: %s\n", strconv.FormatBool(pow.Validate()))
        fmt.Println()

        if len(block.PrevBlockHash) == 0 {
            break
        }
    }
}

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!")
}

// Run parses command line arguments and processes commands
func (cli *CLI) Run() {
    cli.validateArgs()

    getBalanceCmd := flag.NewFlagSet("getbalance", flag.ExitOnError)
    createBlockchainCmd := flag.NewFlagSet("createblockchain", flag.ExitOnError)
    sendCmd := flag.NewFlagSet("send", flag.ExitOnError)
    printChainCmd := flag.NewFlagSet("printchain", flag.ExitOnError)

    getBalanceAddress := getBalanceCmd.String("address", "", "The address to get balance for")
    createBlockchainAddress := createBlockchainCmd.String("address", "", "The address to send genesis block reward to")
    sendFrom := sendCmd.String("from", "", "Source wallet address")
    sendTo := sendCmd.String("to", "", "Destination wallet address")
    sendAmount := sendCmd.Int("amount", 0, "Amount to send")

    switch os.Args[1] {
    case "getbalance":
        err := getBalanceCmd.Parse(os.Args[2:])
        if err != nil {
            log.Panic(err)
        }
    case "createblockchain":
        err := createBlockchainCmd.Parse(os.Args[2:])
        if err != nil {
            log.Panic(err)
        }
    case "printchain":
        err := printChainCmd.Parse(os.Args[2:])
        if err != nil {
            log.Panic(err)
        }
    case "send":
        err := sendCmd.Parse(os.Args[2:])
        if err != nil {
            log.Panic(err)
        }
    default:
        cli.printUsage()
        os.Exit(1)
    }

    if getBalanceCmd.Parsed() {
        if *getBalanceAddress == "" {
            getBalanceCmd.Usage()
            os.Exit(1)
        }
        cli.getBalance(*getBalanceAddress)
    }

    if createBlockchainCmd.Parsed() {
        if *createBlockchainAddress == "" {
            createBlockchainCmd.Usage()
            os.Exit(1)
        }
        cli.createBlockchain(*createBlockchainAddress)
    }

    if printChainCmd.Parsed() {
        cli.printChain()
    }

    if sendCmd.Parsed() {
        if *sendFrom == "" || *sendTo == "" || *sendAmount <= 0 {
            sendCmd.Usage()
            os.Exit(1)
        }

        cli.send(*sendFrom, *sendTo, *sendAmount)
    }
}

main.go

在main.go中，我們將所有的操作有交給cli物件進行，原本舊main.go中的新建創世塊操作，也放到了cli.go的邏輯中，所以只需要以下程式碼：

package main

func main() {
    bc := NewBlockchain()
    defer bc.db.Close()

    cli := CLI{bc}
    cli.Run()
}

utils.go

沒有新的工具函式引入，utils.go檔案不變。

在下一節，將實現區塊鏈的地址機制，逐步完善整個區塊鏈

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