用 Go 构建一个区块链 -- Part 4: 交易（1）

悠悠 2022-06-07 07:36 175阅读 0赞

翻译的系列文章我已经放到了 GitHub 上：[blockchain-tutorial][]，后续如有更新都会在 GitHub 上，可能就不在这里同步了。如果想直接运行代码，也可以 clone GitHub 上的教程仓库，进入 src 目录执行 `make` 即可。

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## 引言 ##

交易（transaction）是比特币的核心所在，而区块链的唯一目的，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。在今天的文章中，我们将会开始实现交易这个部分。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，我们会实现交易的通用机制。在第二部分，我们会继续讨论它的一些细节。

此外，由于代码实现变化很大，就不在文章中罗列所有代码了，[这里][Link 1] 可以看到所有的改动。

## 没有勺子 ##

如果以前开发过 web 应用，在支付的实现环节，你可能会在数据库中创建这样两张表：

*  **accounts**
 *  **transactions**

account（账户）会存储用户信息，里面包括了个人信息和余额。transaction（交易）会存储资金转移信息，也就是资金从一个账户转移到另一个账户这样的内容。在比特币中，支付是另外一种完全不同的方式：

1.  没有账户（account）
2.  没有余额（balance）
3.  没有住址（address）
4.  没有货币（coin）
5.  没有发送人和接收人（sender，receiver）（这里所说的发送人和接收人是基于目前现实生活场景，交易双方与人是一一对应的。而在比特币中，“交易双方”是地址，地址背后才是人，人与地址并不是一一对应的关系，一个人可能有很多个地址。）

鉴于区块链是一个公开开放的数据库，所以我们并不想要存储钱包所有者的敏感信息（所以具有一定的匿名性）。资金不是通过账户来收集，交易也不是从一个地址将钱转移到另一个地址，也没有一个字段或者属性来保存账户余额。交易就是区块链要表达的所有内容。那么，交易里面到底有什么内容呢？

## 比特币交易 ##

一笔交易由一些输入（input）和输出（output）组合而来：

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，也就是我们待会儿要谈到的 coinbase 交易）。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。交易的输出，也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][]

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，实际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）一些价值（value），而这些价值只可以被锁定它们的人解锁（unlock）。

## 交易输出 ##

让我们先从输出（output）开始：

type TXOutput struct {
        Value        int
        ScriptPubKey string
    }

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，但是我们并不会在这里讨论它的细节。你可以在[这里][Link 2] 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>有 BTC 的数量。一个 *satoshi* 等于一百万分之一的 >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（invisible）**，这也就是说，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：

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一笔交易的一个输出：`Txid` 存储的是这笔交易的 ID，`Vout` 存储的是该输出在这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，提供了可作用于一个输出的 `ScriptPubKey` 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，也就是无法使用这个输出。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 `ScriptSig` 将仅仅存储一个任意用户定义的钱包地址。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。

也就是说，每一笔输入都是之前一笔交易的输出，那么从一笔交易开始不断往前追溯，它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），这也是矿工获得挖出新块的奖励，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，不需要引用之前交易的输出。因为在创世块之前根本不存在交易，也就没有不存在有交易输出。

来创建一个 coinbase 交易：

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，它的 `Txid` 为空，`Vout` 等于 -1。并且，在目前的视线中，coinbase 交易也没有在 `ScriptSig` 中存储一个脚本，而只是存储了一个任意的字符串。

> 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][Link 3].

`subsidy` 是奖励的数额。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，也就不可能挖出新的块。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：

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：

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{})
    }

接下来修改创建新链的函数：

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，这个地址会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，以此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：

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()` ：

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[:]
    }

我们使用哈希提供数据的唯一表示，这个之前也遇到过。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，我们获得每笔交易的哈希，将它们关联起来，然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][] ，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：

$ 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？

## 未花费的交易输出 ##

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，当我们检查余额时，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：

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，这一步相当困难：

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：

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未花费交易输出的地址，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输入中，也就是检查它是否已经被花费了：

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（被包含在输入中，也就是说明这个输出已经被花费，无法再用了）。检查完输出以后，我们将所有能够解锁给定地址锁定的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）：

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：

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：

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：

$ 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交易：

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，并且确保它们存储了足够的值（value），这就是 `FindSpendableOutputs` 方法做的事情。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。这是给实际给其他地址转移的币。
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：

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。我们并不想要取出超出需要花费的钱。

现在，我们可以修改 `Blockchain.MineBlock` 方法：

func (bc *Blockchain) MineBlock(transactions []*Transaction) {
        ...
        newBlock := NewBlock(transactions, lastHash)
        ...
    }

最后，让我们来实现 `send` 方法：

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（不过我们的实现是这么做的）。相反，它会将所有新的交易放到一个内存池中（mempool），然后当一个矿工准备挖出一个新块时，它就从内存池中取出所有的交易，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：

$ 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：

$ 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：

$ 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：

$ 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。

链接:

1.  [Full source codes][]
2.  [Transaction][]
3.  [Merkle tree][Merkle tree 1]
4.  [Coinbase][]

本文源代码：[part\_4][Full source codes]

原文链接：[Building Blockchain in Go. Part 4: Transactions 1][Building Blockchain in Go. Part 4_ Transactions 1]

[blockchain-tutorial]: https://github.com/liuchengxu/blockchain-tutorial
[Link 1]: https://github.com/Jeiwan/blockchain_go/compare/part_3...part_4#files_bucket
[the interconnection of transactions]: /images/20220607/7b67071467fe492991a1785cb0bd20b6.png
[Link 2]: https://en.bitcoin.it/wiki/Script
[Link 3]: https://blockchain.info/tx/4a5e1e4baab89f3a32518a88c31bc87f618f76673e2cc77ab2127b7afdeda33b?show_adv=true
[Merkle tree]: https://en.wikipedia.org/wiki/Merkle_tree
[Full source codes]: https://github.com/Jeiwan/blockchain_go/tree/part_4
[Transaction]: https://en.bitcoin.it/wiki/Transaction
[Merkle tree 1]: https://en.bitcoin.it/wiki/Protocol_documentation#Merkle_Trees
[Coinbase]: https://en.bitcoin.it/wiki/Coinbase
[Building Blockchain in Go. Part 4_ Transactions 1]: https://jeiwan.cc/posts/building-blockchain-in-go-part-4/