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关于比特币:区块链入门-③-交易

jiezi

区块链入门 ③ – 交易

交易

概述

比特币交易实质上蕴含交易参与者价值转移的相干信息数据结构。比特币区块链是一本寰球复式记账总账簿，每笔交易都是在比特币区块链上的一个公开记录。

本章中应用术语“钱包”时，咱们指的是构建交易的软件，而不仅仅是蕴含密钥的数据库。

前置常识

UTXO

UTXO，即“未破费的交易输入”（unspent transaction outputs）。所有 UTXO 的汇合被称为 UTXO 集。UTXO 集大小在新的 UTXO 减少时而增长，并在 UTXO 被耗费时而放大。每一个交易都代表 UTXO 集中的变动（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 被耗费。如果一个 UTXO 面值大于一笔交易所需，它依然必须作为整体全副应用，但同时会在交易中生成零头。比特币利用能够应用一些策略来满足付款需要：组合若干小额 UTXO，并算出精确的找零；或者应用一个比交易额大的 UTXO 而后进行找零。
  • 交易会耗费先前记录的未应用的 UTXO，并创立可供将来交易应用的新的 UTXO。通过这种形式，大量的比特币在生产和创立 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，创立全新比特币并领取给该矿工作为采矿处分。币基交易并不生产 UTXO，相同，它有一种称为“coinbase”的非凡类型的输出。
余额

用户的比特币“余额”是指用户钱包中可用的 UTXO总和，它们可能扩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管制的私钥的 UTXO 来计算该用户的余额。

比特币脚本语言

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解决每个我的项目来执行脚本。

  • 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，并可能将后果推送到栈上。例如，操作码 OP_ADD 将从栈中弹出两个我的项目，增加它们，并将后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 的布尔后果（boolean result）。例如，OP_EQUAL 从栈中弹出两个我的项目，如果它们相等，则推送为 TRUE（由数字 1 示意），否则推送为 FALSE（由数字 0 示意）。
比特币数字签名

数字签名是一种由两局部组成的数学计划：第一局部是应用私钥对数据创立签名的算法；第二局部是容许在给定数据和公钥时验证签名合法性的算法。比特币中应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）

  • 创立签名

在比特币的 ECDSA 算法的实现中，被签名的“音讯”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，后果就是签名，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长期密钥对。长期密钥对基于随机数 k，用作长期私钥。如果应用雷同的值 k 在不同的音讯（交易）上生成两个签名，那么任何人都能够计算出签名私钥！！！
  2. 利用 k，咱们生成相应的长期公钥 P（以 P=k*G 计算，与派生比特币公钥雷同）。
  3. 数字签名的 R 值则是长期公钥 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是长期私钥
  • R是长期公钥的 x 坐标
  • dA是签名私钥
  • m是交易数据（或其局部）
  • n是椭圆曲线的阶
  • 验证签名

验证应用数据（交易或其局部的哈希值），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，则签名无效。

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

其中：

  • R和 S 是签名值
  • Qa是签名者的公钥
  • m是交易数据（或其局部）
  • G是椭圆曲线生成点

  • 数字签名的用处：

    • 身份认证性 : 签名证实私钥的所有者，即资金所有者，曾经受权收入这些资金。
    • 不可否认性 : 受权证实是不可否认的（不可否认性）。
    • 完整性 : 签名证实交易（或交易的特定局部）在签名之后没有也不能被任何人批改。

交易输入

每一笔比特币交易都会发明输入，并被比特币账簿（区块链）记录下来。除特例之外，简直所有的输入都能发明 UTXO。

交易输入蕴含两局部：

  • “value”：一定量的比特币，面值为“聪”（satoshis）。
  • “scriptPubKey”：作为破费输入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"
        }
    ]
}

交易输出

交易输出将 UTXO（通过被援用）标记为将被生产，并通过解锁脚本提供所有权证实。

交易输出蕴含四局部：

  • “txid”：一个交易 ID，援用蕴含正在应用的 UTXO 的 交易（不是 UTXO）。
  • “vout”：一个输入索引，用于标识来自该 交易中的第几个 UTXO被援用（一个交易可能存在多个输入，第一个为零）。
  • “scriptSig”：一个解锁脚本，钱包构建它是为了满足 UTXO 中设置的生产条件，满足搁置在 UTXO 上的领取条件，解锁收入。
  • “scriptSig”：一个序列号，与工夫锁无关。
{
    ...
    "vin": [
        {
            "txid": "7957a35fe64f80d234d76d83a2a8f1a0d8149a41d81de548f0a65a8a999f6f18",
            "vout": 0,
            "scriptSig": "3045022100884d142d86652a3f47ba4746ec719bbfbd040a570b1deccbb6498c75c4ae24cb02204b9f039ff08df09cbe9f6addac960298cad530a863ea8f53982c09db8f6e3813[ALL]0484ecc0d46f1918b30928fa0e4ed99f16a0fb4fde0735e7ade8416ab9fe423cc5412336376789d172787ec3457eee41c04f4938de5cc17b4a10fa336a8d752adf",
            "sequence": 4294967295
        }
    ]
}
  • 留神：交易输出中仅蕴含了“txid”，须要首先从区块链中检索援用的 UTXO，来获取该 UTXO 的面值和锁定条件。

交易脚本

比特币网络解决的大多数交易破费的是由“付款至公钥散列”（Pay-to-Public-Key-Hash，P2PKH）脚本锁定的输入。

相应的锁定脚本和解锁脚本如下：

  • 锁定脚本（scriptPubKey）：锁定脚本是一个搁置在输入上的破费条件：它指定了今后破费这笔输入必须要满足的条件。其蕴含一个公钥散列（hash）值，即咱们常说的比特币地址。
  • 解锁脚本（scriptSig）：解锁脚本是“解决”或满足输入上锁定脚本设定的破费条件并容许破费输入的脚本。解锁脚本是交易输出的一部分，其蕴含散列值对应的公钥和由相应私钥创立的数字签名。

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. 每个输出都蕴含一个解锁脚本，并援用先前存在的 UTXO。
  2. 验证软件将复制解锁脚本，检索输出援用的 UTXO，并从该 UTXO 复制锁定脚本。
  3. 而后按程序执行解锁和锁定脚本。如果解锁脚本满足锁定脚本条件，则输出无效。所有输出都是独立验证的，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

签名散列类型

比特币签名有一种办法，用于通过应用 SIGHASH 标记来批示交易数据的 某一部分 蕴含在由私钥签名的散列中。

每个输出可能在其解锁脚本中蕴含一个签名。因而，蕴含多个输出的交易能够领有具备不同 SIGHASH 标记的多个签名，这些标记在每个输出中承诺交易的不同局部。

有三个 SIGHASH 标记：ALL，NONE 和 SINGLE。

SIGHASH flag Value Description
ALL 0x01 签名利用到所有输入输出
NONE 0x02 签名只利用到所有输出，不包含任何输入
SINGLE 0x03 签名利用到所有输出和与签名输出具备雷同索引号的那个输入

另外还有一个修饰符标记 SIGHASH_ANYONECANPAY，它能够与后面的每个标记组合应用。

当设置 ANYONECANPAY 时，只有以后输出被签名，其余的（及其序列号）放弃凋谢以进行批改。ANYONECANPAY 的值为 0x80，并通过按位 OR 运算，失去如下表所示组合标记：

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

利用 sighash 标记的形式：

  1. 依据应用的 SIGHASH 标记，生成交易的正本并截断其中的某些字段（设置为零长度并清空）。
  2. 序列化交易正本，将 SIGHASH 标记被增加到序列化交易的结尾。
  3. 将序列化交易正本 +SIGHASH 标记散列，失去的散列值即是被签名的“音讯”。
  4. 因为在散列化前，SIGHASH 作为最初一步被蕴含在内，签名也会对 SIGHASH 类型进行签订，因而不能被更改（例如，不能被矿工批改）。

利用：

  • ALL|ANYONECANPAY：这种标记能够用来做“众筹”交易，众筹发起人能够用单笔输入来构建一个交易，这笔输入将“指标”金额付给众筹发起人。这样的交易显然是有效的，因为它没有输出。然而当初其他人能够通过增加本人的输出作为捐献来批改它们，他们用 ALL|ANYONECANPAY 签订本人的输出，直到收集到足够的输出以达到输入的指标金额前，交易有效，每一笔捐款都是一种“承诺”，在募集够整个指标金额之前，筹款不能发出。
  • NONE：该构造可用于创立特定金额的“不记名支票”或“空白支票”。它对输出进行承诺，但容许输入锁定脚本被更改。任何人都能够将本人的比特币地址写入输入锁定脚本并兑换交易。
  • NONE|ANYONECANPAY：这种结构能够用来建造一个“吸尘器”。在钱包中领有渺小 UTXO 的用户无奈破费这些费用，因为手续费超过了这些渺小 UTXO 的价值。借助这种类型的签名，渺小 UTXO 能够捐献给任何违心募集的人并由他们随时破费。

交易费

交易费是指输出和输入之间的差值。从所有输出中扣掉所有输入之后的残余的金额是矿工收取的交易费。

  • 交易的数据结构自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 作为输出可能须要领取更高的交易费。
  • 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；同时作为一种克制因素，通过对每一笔交易收取小额费用来避免对系统的滥用。胜利挖到某区块的矿工将失去该区内蕴含的交易费，并将该区块增加至区块链中。
  • 大多数状况下，交易费影响解决优先级，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；任何创立交易的比特币服务，包含钱包、交易所、批发利用等，都必须实现交易费动静计算性能。
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