2.7 交易確認

比特幣資料庫區塊鏈開發 · 發表 2018-11-08 18:26:16

摘要： Reward（獎勵）有一件前面的章節中跳過了一個小細節，挖礦獎勵。現在我們準備實現這個。這個獎勵也就是coinbase交易。當一個節點開始挖新的區塊時，它會把佇列中的交易並準備好coinbase交易放到區塊中。這筆coinbase交易也僅僅是一個包含了礦工的公鑰hash的ou...

Reward（獎勵）

有一件前面的章節中跳過了一個小細節，挖礦獎勵。現在我們準備實現這個。

這個獎勵也就是coinbase交易。當一個節點開始挖新的區塊時，它會把佇列中的交易並準備好coinbase交易放到區塊中。這筆coinbase交易也僅僅是一個包含了礦工的公鑰hash的output。

實現獎勵很簡單，只用更新一下send命令：

func (cli *CLI) send(from, to string, amount int) {
...
bc := NewBlockchain()
UTXOSet := UTXOSet{bc}
defer bc.db.Close()
tx := NewUTXOTransaction(from, to, amount, &UTXOSet)
cbTx := NewCoinbaseTX(from, "")
txs := []*Transaction{cbTx, tx}
newBlock := bc.MineBlock(txs)
fmt.Println("Success!")
}

在我們的實現中，建立交易的人挖出了新的區塊，得到獎勵。

UTXO Set

在第三章持久化和命令列介面中，我們學習了比特幣中儲存區塊到資料庫的方式。文中提到區塊被存放在blocks資料庫，交易output存放在chainstate資料庫中。這裡說一下chainstate的結構：

1. ‘c’ + 32-byte transaction hash -> unspent transaction output record for that transaction

2. ‘B’ -> 32-byte block hash: the block hash up to which the database represents the unspent transaction outputs

翻譯一下

1. ‘c’ + 32-byte 交易的hash值 -> 未完成的交易記錄

2. ‘B’ -> 32-byte 塊hash值: 資料庫記錄的未使用的交易的output的塊hash

第三篇文章裡我們已經實現了交易，但是沒有使用chainstate來儲存他們的output，現在來實現這個。

chainstate不存放交易，相反，它儲存UTXO（unspent transaction outputs，有結餘交易的output）集合。除此之外，它儲存“資料庫記錄的未使用的交易的output的塊hash”，我們會忽略這個特性，因為我們沒有使用區塊的高度（下一篇裡會討論實現）。

那為什麼我要有UTXO集合？

考慮到我們此前實現的方法Blockchain.FindUnspentTransactions：

func (bc *Blockchain) FindUnspentTransactions(pubKeyHash []byte) []Transaction {
...
bci := bc.Iterator()
for {
block := bci.Next()
for _, tx := range block.Transactions {
...
}
if len(block.PrevBlockHash) == 0 {
break
}
}
...
}

該函式負責把有未消費完output的交易找出來。因為交易是存放在區塊中的，所以這個方法會迭代所有的區塊鏈中的區塊，並檢測區塊中的每一個交易。到2017年9月18號，比特幣中已經有485860個區塊，而全部的資料用了140+GB的磁碟空間。這意為著如果要驗證交易，則要檢測所有的節點。而且，驗證交易將需要遍歷很多區塊。

而解決方案是要給未消費完的output建立索引，這就是UTXO的作用：這個快取是基於所有區塊鏈中交易（通過遍歷了所有的區塊，當然了，只執行了一次）建立的，然後就用來計算餘額和驗證新的交易。這個UTXO的大小在2017年9月大概是有2.5Gb。

好了，我們要想一下要如何改造UTXO的實現方法。當前，下面這些方法是用於查詢交易的：

1. Blockchain.FindUnspentTransactions 找到所有含有未消費output的交易主函式。遍歷所有的區塊在該函式裡執行。

2. Blockchain.FindSpendableOutputs 當有新的交易建立時使用。如果找足夠交易所需數的output。會呼叫Blockchain.FindUnspentTransactions方法

3. Blockchain.FindUTXO 找到未消費的output來建立公鑰hash，呼叫 Blockchain.FindUnspentTransactions方法。

4. Blockchain.FindTransaction 通過交易的ID在區塊鏈中找到交易。它會遍歷所有區塊直到找到該交易。

可以看到，這些方法遍歷了整個資料庫中的所有區塊。但是現在我們不能改善這些方法，因為UTXO集合沒有存放在所有的交易，而只有那些含未消費output的。因此，還不能在Blockchain.FindTransaction使用。

所以我們需要下面的這些方法：

1. Blockchain.FindUTXO 通過遍歷所有區塊找到所有未消費的output

2. UTXOSet.Reindex 呼叫FindUTXO來查詢所有沒有消費的output，然後儲存到資料庫中。這裡是快取執行的地方。

3. UTXOSet.FindSpendableOutputs 類似Blockchain.FindSpendableOutputs，但是使用的是UTXO集合。

4. UTXOSet.FindUTXO 類似Blockchain.FindUTXO，但是使用的是UTXO集合。

5. Blockchain.FindTransaction 保持不變

因此，用得最多的兩個方法從現在開始就會使用快取，開始碼程式碼：

type UTXOSet struct {
Blockchain *Blockchain
}

我們使用同一個資料庫，但是把UTXO集合放到另一個桶（bucket）中。所以，UTXOSet和Blockchain是耦合的（共用了一個數據庫）：

func (u UTXOSet) Reindex() {
db := u.Blockchain.db
bucketName := []byte(utxoBucket)
err := db.Update(func(tx *bolt.Tx) error {
err := tx.DeleteBucket(bucketName)
_, err = tx.CreateBucket(bucketName)
})
UTXO := u.Blockchain.FindUTXO()
err = db.Update(func(tx *bolt.Tx) error {
b := tx.Bucket(bucketName)
for txID, outs := range UTXO {
key, err := hex.DecodeString(txID)
err = b.Put(key, outs.Serialize())
}
})
}

這個方法建立並初始化UTXO集合。首先移除所有的存在的桶，然後從區塊鏈中找到所有未消費的output，最後把這些output存到桶中去。

Blockchain.FindUTXO幾乎與Blockchain.FindUnspentTransactions是相同的，但是它返回的是TransactionID → TransactionOutputs對映組合的map。

現在，UTXO集合可以傳送幣了：

然後檢測餘額：

func (u UTXOSet) FindUTXO(pubKeyHash []byte) []TXOutput {
var UTXOs []TXOutput
db := u.Blockchain.db
err := db.View(func(tx *bolt.Tx) error {
b := tx.Bucket([]byte(utxoBucket))
c := b.Cursor()
for k, v := c.First(); k != nil; k, v = c.Next() {
outs := DeserializeOutputs(v)
for _, out := range outs.Outputs {
if out.IsLockedWithKey(pubKeyHash) {
UTXOs = append(UTXOs, out)
}
}
}
return nil
})
return UTXOs
}

這些方法和Blockchain相應版本的方法相比，有些輕微的改動。而那些Blockchain中對應的方法就沒有用了。

用了UTXO集合我們（交易的）資料就可以分開存放了：實際的交易存放在區塊鏈中，未消費的output則存放在UTXO集合裡。這樣的分離需要堅固的同步機制，因為我們得讓UTXO集合總是能更新和儲存所有最近交易的output。但是我們不需要每次新區塊挖出來時重排索引，因為我們要避免頻繁的區塊鏈查詢。因此，需要一個機制來更新UTXO集合。

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)
} else {
err := b.Put(vin.Txid, updatedOuts.Serialize())
}
}
}
newOutputs := TXOutputs{}
for _, out := range tx.Vout {
newOutputs.Outputs = append(newOutputs.Outputs, out)
}
err := b.Put(tx.ID, newOutputs.Serialize())
}
})
}

這個方法看上去有點大，但是它做的事還是比較簡單粗暴的。當挖出新的區塊時，UTXO集合就會被更新。更新意味著會清除掉被消費了的output，及增加新挖出的交易中未消費的output。如果一筆交易的output被移除了，內部也沒有其它output時，它也會除掉。相當簡單。

在必要的地方使用UTXO：

func (cli *CLI) createBlockchain(address string) {
...
bc := CreateBlockchain(address)
defer bc.db.Close()
UTXOSet := UTXOSet{bc}
UTXOSet.Reindex()
...
}

重置索引在新的區塊鏈建立後發生才正確。現在，只有在這裡Reindex才用到，不過由於在一開始區塊鏈只有一個區塊一筆交易，導致看上去有點用力過度，而且Update也不會作為代替使用。但是我們還是後面我們還是會用到重置索引機制的。

func (cli *CLI) send(from, to string, amount int) {
...
newBlock := bc.MineBlock(txs)
UTXOSet.Update(newBlock)
}

在新的區塊挖出來後，UTXO集合就會被更新。

檢測一下是否工作：

blockchain g ocreateblockchain − address 1 JnMDSqVoHi 4 TEFXNw 5 wJ 8 skPsPf 4 LHkQ 100000086 a 725 e 18 ed 7 e 9 e 06 f 1051651 a 4 fc 46 a 315 a 9 d 298 e 59 e 57 aeacbe 0 bf 73 Done ! blockchaingocreateblockchain−address1JnMDSqVoHi4TEFXNw5wJ8skPsPf4LHkQ100000086a725e18ed7e9e06f1051651a4fc46a315a9d298e59e57aeacbe0bf73Done! blockchain_go send -from 1JnMDSqVoHi4TEFXNw5wJ8skPsPf4LHkQ1 -to 12DkLzLQ4B3gnQt62EPRJGZ38n3zF4Hzt5 -amount 6

0000001f75cb3a5033aeecbf6a8d378e15b25d026fb0a665c7721a5bb0faa21b

Success!

$ blockchain_go send -from 1JnMDSqVoHi4TEFXNw5wJ8skPsPf4LHkQ1 -to

12ncZhA5mFTTnTmHq1aTPYBri4jAK8TacL -amount 4

000000cc51e665d53c78af5e65774a72fc7b864140a8224bf4e7709d8e0fa433

Success!

$ blockchain_go getbalance -address 1JnMDSqVoHi4TEFXNw5wJ8skPsPf4LHkQ1

Balance of ‘1F4MbuqjcuJGymjcuYQMUVYB37AWKkSLif’: 20

$ blockchain_go getbalance -address 12DkLzLQ4B3gnQt62EPRJGZ38n3zF4Hzt5

Balance of ‘1XWu6nitBWe6J6v6MXmd5rhdP7dZsExbx’: 6

$ blockchain_go getbalance -address 12ncZhA5mFTTnTmHq1aTPYBri4jAK8TacL

Balance of ‘13UASQpCR8Nr41PojH8Bz4K6cmTCqweskL’: 4

1JnMDSqVoHi4TEFXNw5wJ8skPsPf4LHkQ1地址收到三個獎勵：

1. 挖出創世區塊的獎勵

2. 挖出0000001f75cb3a5033aeecbf6a8d378e15b25d026fb0a665c7721a5bb0faa21b區塊

3. 挖出000000cc51e665d53c78af5e65774a72fc7b864140a8224bf4e7709d8e0fa433區塊

默克爾樹

在這裡要再多討論一個的優化機制。

前面說到，完整的區塊鏈資料庫（即區塊鏈）花掉了140Gb的磁碟儲存空間。因為去中心化的特性，每個在網路中的節點都必須獨立且足夠自主，也即每個節點都必須儲存整個區塊鏈的副本。隨著人們開始使用比特幣，這一規則就會變得困難，每個人都要執行所有節點顯然是不合適的。還有，因為節點都是網路中完全成熟的部分，它們都有責任：必須驗證交易和區塊。另外，得能連上網路與其它節點互動和下載新的區塊。

在中本始發表的最初的比特幣論文中，已經有一個解決方案來處理這一問題，簡化支付驗證（Simplified Payment Verification，SPV）。SPV是一個輕量的比特幣節點，不會下載整個區塊連，也不驗證區塊和交易。相反，它會找出區塊（用於驗證交易）中的交易，且和所有的節點連線來檢索必要的資料。這一機制允許執行多個輕量的錢包節點和只需一個全量節點。

為了實現SPV的可行性，得有一種方式能檢測在不下載整個區塊的情況下，判斷該區塊包含了指定的交易。為了解決這個問題，需要引入默克爾樹。

默克爾樹被用於比特幣來獲取交易hash值，該hash存放在block的頭部以及在工作證明中會被用到。直到現在，我們也只是把區塊中的每一個交易hash串起來，再用SHA-256計算它們。這當然也是獲取唯一的區塊中的交易描述的好方式，但是並沒有默克爾樹的優點。

看看默克爾樹：

默克爾樹為了每一個區塊而建立，開始於葉（樹的底部）節點，葉子就是一個交易的hash值（比特幣使用兩次SHA256計算）。葉子的數量必須是偶數的，但是並不是每一個區塊都含有偶數個交易。如果有奇數個交易，最後一個交易就會重複（在默克爾樹裡是這樣，不是區塊中！）。

從底而上，葉子被分成組成一對，它們的hash是串起來的，並且串起來的hash也會生成新的hash。新的hash生成新的樹節點。這一過程會一直持續直到只剩下一個節點，也就是樹的根節點。根節點的hash就會被當成這些交易的描述存放在區塊的頭部，然後在工作量證明中會用到。

使用默克爾樹的好處就是節點可以清楚與指定交易的關係，而不需要下載整個區塊。只需要一個交易hash，默克爾樹的根節點hash，還有樹的路徑即可。

開始擼程式碼：

type MerkleTree struct {
RootNode *MerkleNode
}
type MerkleNode struct {
Left*MerkleNode
Right *MerkleNode
Data[]byte
}

從結構開始，每一個MerkleNode都會持有資料和連線到它的分支。MerkleTree實際上就是和後面的節點連線的根節點，而它們與其它節點連線，等等。

建立新的節點：

func NewMerkleNode(left, right *MerkleNode, data []byte) *MerkleNode {
mNode := MerkleNode{}
if left == nil && right == nil {
hash := sha256.Sum256(data)
mNode.Data = hash[:]
} else {
prevHashes := append(left.Data, right.Data...)
hash := sha256.Sum256(prevHashes)
mNode.Data = hash[:]
}
mNode.Left = left
mNode.Right = right
return &mNode
}

每一個節點包含了一些資料。當節點是葉子節點時，資料來自外方（從我們的角度看就是序列化的交易）。當節點連線到其它（左右）節點時，它就會把這左右兩個節點的資料串起來，然後計算串起來的hash值作為自己的資料。

func NewMerkleTree(data [][]byte) *MerkleTree {
var nodes []MerkleNode
if len(data)%2 != 0 {
data = append(data, data[len(data)-1])
}
for _, datum := range data {
node := NewMerkleNode(nil, nil, datum)
nodes = append(nodes, *node)
}
for i := 0; i < len(data)/2; i++ {
var newLevel []MerkleNode
for j := 0; j < len(nodes); j += 2 {
node := NewMerkleNode(&nodes[j], &nodes[j+1], nil)
newLevel = append(newLevel, *node)
}
nodes = newLevel
}
mTree := MerkleTree{&nodes[0]}
return &mTree
}

當新的樹建立好時，第一件事就是確定是否有偶數個葉子。然後，資料（data，交易的序列化陣列）會被轉換成樹葉，並且新樹會基於這些葉子長出來。

現在修改Block.HashTransactions，它的作用是在工作量證明時獲取交易的hash：

func (b *Block) HashTransactions() []byte {
var transactions [][]byte
for _, tx := range b.Transactions {
transactions = append(transactions, tx.Serialize())
}
mTree := NewMerkleTree(transactions)
return mTree.RootNode.Data
}

首先，區塊中的交易會串起來，然後被序列化（使用encoding/gob），然後用於建立新的默克爾樹。該樹的根節點會充當該區塊的所有交易的標識。

P2PKH

還有一個問題在這裡討論一下：

我們說過，比特幣中使用了Script指令碼程式語言，它被用在給交易的output加鎖，然後交易的input提供資料來解鎖output。這個語言很簡單，程式碼也只是一串序列和一些操作符。

看這個例子：

5 2 OP_ADD 7 OP_EQUAL

5，2，和7是資料。OP_ADD和OP_EQUAL就是操作符。Script程式碼是可以從左到右被執行的，每一片程式碼被放到棧中，然後下一個操作符就會用於棧頂的元素。Script棧僅是簡單的FILO方式使用記憶體，第一個元素進棧會最後一個出棧，後面的元素會被放到前一個的上面。

我們拆開上面的程式碼來逐步分析：

序號棧指令碼
1空5 2 OP_ADD 7 OP_EQUAL
252 OP_ADD 7 OP_EQUAL
35 2 OP_ADD 7 OP_EQUAL
477 OP_EQUAL
57 7 OP_EQUAL
6trueempty

操作OP_ADD就是從棧頂先後取出兩個元素相加，然後把結果壓到棧頂。OP_EQUAL同樣從棧頂取出兩個元素判斷相等，把結果壓入棧頂。當指令碼執行完時，棧頂的元素就是該指令碼的執行結果：在我們的這個例子中，結果就是true，也即是說指令碼成功執行完成。

現在看看比特幣中用於支付的指令碼：

OP_DUP OP_HASH160 OP_EQUALVERIFY OP_CHECKSIG

這種叫Pay to Public Key Hash（P2PKH），是比特幣中用得最廣泛的指令碼。它會逐個支付給公鑰的hash，即會鎖住指定公鑰下的幣。這是比特幣的支付核心：沒有賬戶，彼此之間沒有現金交換；也僅是有一段指令碼來檢測提供的簽名和公鑰是否正確。

這段指令碼實際上儲存有兩個部分：

1. 第一段：存放了input的ScriptSig欄位。

2. 第二段：OP_DUP OP_HASH160 OP_EQUALVERIFY OP_CHECKSIG 存放output的 ScriptPubKey。

因此，這段指令碼定義瞭解鎖的邏輯，就是input提供了資料來解鎖output。執行這段指令碼：

序號棧指令碼
1空<signature> <pubKey> OP_DUP OP_HASH160 <pubKeyHash> OP_EQUALVERIFY OP_CHECKSIG
2<signature> <pubKey> OP_DUP OP_HASH160 <pubKeyHash> OP_EQUALVERIFY OP_CHECKSIG
3<signature> <pubKey>OP_DUP OP_HASH160 <pubKeyHash> OP_EQUALVERIFY OP_CHECKSIG
4<signature> <pubKey> <pubKey>OP_HASH160 <pubKeyHash> OP_EQUALVERIFY OP_CHECKSIG
5<signature> <pubKey> <pubKeyHash><pubKeyHash> OP_EQUALVERIFY OP_CHECKSIG
6<signature> <pubKey> <pubKeyHash> <pubKeyHash>OP_EQUALVERIFY OP_CHECKSIG
7<signature> <pubKey>OP_CHECKSIG
8true 或 false空

OP_DUP操作會複製棧頂的元素。OP_HASH160獲取棧頂的元素並使用（RIPEMD160）演算法計算其hash值，把結果壓到棧頂。OP_EQUALVERIFY比較棧頂的兩個元素，如果不等，則打斷指令碼。OP_CHECKSIG通過計算交易的hash和使用及驗證交易的簽名。後面的操作比較複雜：使用一個被修整過的交易副本，計算它的hash（因為它就是一個被簽名了的交易的hash），然後用提供的及檢測這個簽名是否正確。

擁有指令碼語言的使得比特幣可能成為智慧合約平臺：這個語言除了能支援每次交易都使用單一的金鑰轉移比特幣，其它的支付場景也成為可能。

總結

好了，我們實現了大多數基於區塊鏈加密貨幣的差關鍵特性。區塊鏈、地址、挖礦、交易。但是，還有一個賦予這些特性生命的機制，創造了比特幣的全域性系統，一致性。下一章我們開始實現區塊鏈的一部分–“去中心化”。敬請期待！

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2.7 交易確認

Reward（獎勵）

UTXO Set

默克爾樹

總結

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