用 Go 构建一个区块链 -- Part 4: 交易

Posted 2022-07-30 liuchengxu_

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。

---

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 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：

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 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 := TXOutputsubsidy, to
    tx := Transactionnil, []TXInputtxin, []TXOutputtxout
    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.

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 := &Blocktime.Now().Unix(), transactions, prevBlockHash, []byte, 0
    ...


func NewGenesisBlock(coinbase *Transaction) *Block 
    return NewBlock([]*Transactioncoinbase, []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 := TXInputtxID, out, from
            inputs = append(inputs, input)
        
    

    // Build a list of outputs
    outputs = append(outputs, TXOutputamount, to)
    if acc > amount 
        outputs = append(outputs, TXOutputacc - amount, from) // a change
    

    tx := Transactionnil, 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([]*Transactiontx)
    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

4. Coinbase

本文源代码：part_4

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