区块链教程——P2P交易原理

Posted 2021-06-27 夏风喃喃

区块链教程(2)——P2P交易原理

参考：廖雪峰的官方网站区块链教程
https://www.liaoxuefeng.com/wiki/1207298049439968

文章目录

• 区块链教程(2)——P2P交易原理
• • • 2.1 P2P交易原理
    • • 数字签名
      • 数字签名算法
      • 比特币钱包
      • 交易
    • 2.2 私钥
    • 2.3 公钥和地址
    • 2.4 签名

2.1 P2P交易原理

比特币的交易是一种无需信任中介参与的P2P（Peer-to-peer）交易。

传统的电子交易，交易双方必须通过银行这样的信任机构作为中介，这样可以保证交易的安全性，因为银行记录了交易双方的账户资金，能保证在一笔交易中，要么保证成功，要么交易无效，不存在一方到账而另一方没有付款的情况。

但是在比特币这种去中心化的P2P网络中，并没有一个类似银行这样的信任机构存在，要想在两个节点之间达成交易，就必须实现一种在零信任的情况下安全交易的机制。

数字签名

在比特币交易中，付款方就是通过数字签名来证明自己拥有某一笔比特币，并且，要把这笔比特币转移给指定的收款方。

使用签名是为了验证某个声明确实是由某个人做出的。例如，在付款合同中签名，可以通过验证笔迹的方式核对身份。而在计算机中，用密码学理论设计的数字签名算法比验证笔迹更加可信。使用数字签名时，每个人都可以自己生成一个秘钥对，这个秘钥对包含一个私钥和一个公钥：私钥被称为Secret Key或者Private Key，私钥必须严格保密，不能泄漏给其他人；公钥被称为Public Key，可以公开给任何人：

当私钥持有人，例如，小明希望对某个消息签名的时候，他可以用自己的私钥对消息进行签名，然后，把消息、签名和自己的公钥发送出去：

其他任何人都可以通过小明的公钥对这个签名进行验证，如果验证通过，可以肯定，该消息是小明发出的。

数字签名算法在电子商务、在线支付这些领域有非常重要的作用：

首先，签名不可伪造，因为私钥只有签名人自己知道，所以其他人无法伪造签名。

其次，消息不可篡改，如果原始消息被人篡改了，那么对签名进行验证将失败。

最后，签名不可抵赖。如果对签名进行验证通过了，那么，该消息肯定是由签名人自己发出的，他不能抵赖自己曾经发过这一条消息。

数字签名算法

常用的数字签名算法有：RSA算法，DSA算法和ECDSA算法。比特币采用的签名算法是椭圆曲线签名算法：ECDSA，使用的椭圆曲线是一个已经定义好的标准曲线secp256k1：
$$y^2=x^3+7$$
这条曲线的图像长这样：

比特币采用的ECDSA签名算法需要一个私钥和公钥组成的秘钥对：私钥本质上就是一个$1～2^{256}$的随机数，公钥是由私钥根据ECDSA算法推算出来的，通过私钥可以很容易推算出公钥，所以不必保存公钥，但是，通过公钥无法反推私钥，只能暴力破解。

比特币的私钥是一个随机的非常大的256位整数。它的上限，确切地说，比$2^{256}$要稍微小一点。而比特币的公钥是根据私钥推算出的两个256位整数。如果用银行卡作比较的话，比特币的公钥相当于银行卡卡号，它是两个256位整数：

比特币的私钥相当于银行卡密码，它是一个256位整数：

18E14A7B6A307F426A94F8114701E7C8E774E7F9A47E2C2035DB29A206321725

银行卡的卡号由银行指定，银行卡的密码可以由用户随时修改。而比特币“卡”和银行卡的不同点在于：密码（实际上是私钥）由用户先确定下来，然后计算出“卡号”（实际上是公钥），即卡号是由密码通过ECDSA算法推导出来的，不能更换密码，因为更换密码实际上相当于创建了一张新卡片。

由于比特币账本是全网公开的，所以，任何人都可以根据公钥查询余额，但是，不知道持卡人是谁。这就是比特币的匿名特性。

丢失了私钥和忘记银行卡密码不一样，忘记银行卡密码可以拿身份证到银行重新设置一个密码，因为密码是存储在银行的计算机中的，而比特币的P2P网络不存在中央节点，私钥只有持有人自己知道，因此，丢失了私钥，对应的比特币就永远无法花费。 如果私钥被盗，黑客就可以花费对应公钥的比特币，并且这是无法追回的。

比特币私钥的安全性在于如何生成一个安全的256位的随机数。不要试图自己想一个随机数，而是应当使用编程语言提供的安全随机数算法，但绝对不能使用伪随机数。

比特币钱包

比特币钱包实际上就是帮助用户管理私钥的软件。因为比特币的钱包是给普通用户使用的，它有几种分类：

本地钱包：是把私钥保存在本地计算机硬盘上的钱包软件，如Electrum；

手机钱包：和本地钱包类似，但可以直接在手机上运行，如Bitpay；

在线钱包：是把私钥委托给第三方在线服务商保存；

纸钱包：是指把私钥打印出来保存在纸上；

脑钱包：是指把私钥记在自己脑袋里。

和银行账户不同，比特币网络没有账户的概念，任何人都可以从区块链查询到任意公钥对应的比特币余额，但是，并不知道这些公钥是由谁持有的，也就无法根据用户查询比特币余额。

作为用户，可以生成任意数量的私钥-公钥对，公钥是接收别人转账的地址，而私钥是花费比特币的唯一手段，钱包程序可以帮助用户管理私钥-公钥对。

交易

我们再来看记录在区块链上的交易。每个区块都记录了至少一笔交易，一笔交易就是把一定金额的比特币从一个输入转移到一个输出：

例如，小明把两个比特币转移给小红，这笔交易的输入是小明，输出就是小红。实际记录的是双方的公钥地址。

如果小明有50个比特币，他要转给小红两个比特币，那么剩下的48个比特币应该记录在哪？比特币协议规定一个输出必须一次性花完，所以，小明给小红的两个比特币的交易必须表示成：

小明给小红2个比特币，同时小明又给自己48个比特币，这48个比特币就是找零。所以，一个交易中，一个输入可以对应多个输出。

当小红有两笔收入时，一笔2.0，一笔1.5，她想给小白转3.5比特币时，就不能单用一笔输出，她必须把两笔钱合起来再花掉，这种情况就是一个交易对应多个输入和1个输出：

如果存在找零，这笔交易就既包含多个输入也包含多个输出：

在实际的交易中，输入比输出要稍微大一点点，这个差额就是隐含的交易费用，交易费用会算入当前区块的矿工收入中作为矿工奖励的一部分：

计算出的交易费用：

交易费用 = 输入 - 输出 = (2.0 + 1.5) - (2.99 + 0.49) = 3.5 - 3.48 = 0.02

比特币实际的交易记录是由一系列交易构成，每一个交易都包含一个或多个输入，以及一个或多个输出。未花费的输出被称为UTXO（Unspent Transaction Ouptut）。

当我们要简单验证某个交易的时候，例如，对于交易f36abd，它记录的输入是3f96ab，索引号是1（索引号从0开始，0表示第一个输出，1表示第二个输出，以此类推），我们就根据3f96ab找到前面已发生的交易，再根据索引号找到对应的输出是0.5个比特币，所以，这笔交易的输入总计是0.5个比特币，输出分别是0.4个比特币和0.09个比特币，隐含的交易费用是0.01个比特币：

2.2 私钥

在比特币中，私钥本质上就是一个256位的随机整数。想要记住一个256位的整数是非常困难的，并且，如果记错了其中某些位，这个记错的整数仍然是一个有效的私钥，因此，比特币有一种对私钥进行编码的方式，这种编码方式就是带校验的Base58编码。

对私钥进行Base58编码有两种方式，一种是非压缩的私钥格式，一种是压缩的私钥格式，它们分别对应非压缩的公钥格式和压缩的公钥格式。

非压缩的私钥格式是指在32字节的私钥前添加一个0x80字节前缀，得到33字节的数据，对其计算4字节的校验码，附加到最后，一共得到37字节的数据：

计算校验码非常简单，对其进行两次SHA256，取开头4字节作为校验码。

对这37字节的数据进行Base58编码，得到总是以5开头的字符串编码，这个字符串就是我们需要非常小心地保存的私钥地址，又称为钱包导入格式：WIF（Wallet Import Format），整个过程如下图所示：

目前，非压缩的格式几乎已经不使用了。

压缩格式的私钥编码方式，与非压缩格式不同的是，压缩的私钥格式会在32字节的私钥前后各添加一个0x80字节前缀和0x01字节后缀，共34字节的数据，对其计算4字节的校验码，附加到最后，一共得到38字节的数据：

对这38字节的数据进行Base58编码，得到总是以K或L开头的字符串编码，整个过程如下图所示：

2.3 公钥和地址

比特币的公钥是根据私钥计算出来的。私钥本质上是一个256位整数，记作k。根据比特币采用的ECDSA算法，可以推导出两个256位整数，记作(x, y)，这两个256位整数即为非压缩格式的公钥。由于ECC曲线的特点，根据非压缩格式的公钥(x, y)的x实际上也可推算出y，但需要知道y的奇偶性，因此，可以根据(x, y)推算出x'，作为压缩格式的公钥。

压缩格式的公钥实际上只保存x这一个256位整数，但需要根据y的奇偶性在x前面添加02或03前缀，y为偶数时添加02，否则添加03，这样，得到一个1+32=33字节的压缩格式的公钥数据，记作x'。

注意压缩格式的公钥和非压缩格式的公钥是可以互相转换的，但均不可反向推导出私钥。非压缩格式的公钥目前已很少使用，原因是非压缩格式的公钥签名脚本数据会更长。

要特别注意，比特币的地址并不是公钥，而是公钥的哈希，即从公钥能推导出地址，但从地址不能反推公钥，因为哈希函数是单向函数。

以压缩格式的公钥为例，从公钥计算地址的方法是，首先对1+32=33字节的公钥数据进行Hash160（即先计算SHA256，再计算RipeMD160），得到20字节的哈希。然后，添加0x00前缀，得到1+20=21字节数据，再计算4字节校验码，拼在一起，总计得到1+20+4=25字节数据：

对上述25字节数据进行Base58编码，得到总是以1开头的字符串，该字符串即为比特币地址，整个过程如下：

计算地址的时候，不必知道私钥，可以直接从公钥计算地址。要注意，对非压缩格式的公钥和压缩格式的公钥进行哈希编码得到的地址，都是以1开头的，因此，从地址本身并无法区分出使用的是压缩格式还是非压缩格式的公钥。以1开头的字符串地址即为比特币收款地址，可以安全地公开给任何人。仅提供地址并不能让其他人得知公钥。通常来说，公开公钥并没有安全风险。实际上，如果某个地址上有对应的资金，要花费该资金，就需要提供公钥。如果某个地址的资金被花费过至少一次，该地址的公钥实际上就公开了。

私钥、公钥以及地址的推导关系如下：

2.4 签名

签名算法是使用私钥签名，公钥验证的方法，对一个消息的真伪进行确认。如果一个人持有私钥，他就可以使用私钥对任意的消息进行签名，即通过私钥sk对消息message进行签名，得到signature：

signature = sign(message, sk);

签名的目的是为了证明，该消息确实是由持有私钥sk的人发出的，任何其他人都可以对签名进行验证。验证方法是，由私钥持有人公开对应的公钥pk，其他人用公钥pk对消息message和签名signature进行验证：

isValid = verify(message, signature, pk);

如果验证通过，则可以证明该消息确实是由持有私钥sk的人发出的，并且未经过篡改。数字签名可以防伪造，防篡改，防抵赖。

对消息进行签名，实际上是对消息的哈希进行签名，这样可以使任意长度的消息在签名前先转换为固定长度的哈希数据。对哈希进行签名相当于保证了原始消息的不可伪造性。

比特币对交易数据进行签名和对消息进行签名的原理是一样的，只是格式更加复杂。对交易签名确保了只有持有私钥的人才能够花费对应地址的资金。