資訊專欄INFORMATION COLUMN
摘要：交易我們都知道得到比特幣需要挖礦，其實(shí)挖礦也屬于一種交易，不過(guò)是一種沒(méi)有確定交易輸入的一種交易，它也被稱作交易。這筆交易由轉(zhuǎn)賬發(fā)發(fā)起，因此需要提供轉(zhuǎn)賬方的私鑰進(jìn)行解鎖腳本。驗(yàn)證通過(guò)則證明這是屬于轉(zhuǎn)賬方的，可以用于交易。
BTC中的utxo模型
BTC中引入了許多創(chuàng)新的概念與技術(shù)，區(qū)塊鏈、PoW共識(shí)、RSA加密、萌芽階段的智能合約等名詞是經(jīng)常被圈內(nèi)人所提及，誠(chéng)然這些創(chuàng)新的實(shí)現(xiàn)使得BTC變成了一種有可靠性和安全性保證的封閉生態(tài)系統(tǒng)，但是在這個(gè)BTC生態(tài)中如果沒(méi)有搭配區(qū)塊鏈模式的轉(zhuǎn)賬模塊，那么貨幣的流通屬性也就無(wú)從談起了。若要實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)賬交易模塊， “是否采用傳統(tǒng)的賬戶模型實(shí)現(xiàn)交易；如何在區(qū)塊鏈上存儲(chǔ)交易信息，如何實(shí)現(xiàn)信息壓縮；如何驗(yàn)證交易信息；系統(tǒng)的最大交易并發(fā)量”等問(wèn)題確實(shí)值得思考。
BTC一一解決了這些，它放棄了傳統(tǒng)的基于賬戶的交易模型，而是采用基于區(qū)塊鏈存儲(chǔ)的utxo（unspent transaction output）模型。筆者嘗試分析了為什么不使用傳統(tǒng)的賬戶模型：
BTC的存儲(chǔ)單元為區(qū)塊鏈，區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)本質(zhì)上是單向鏈表，它并不是傳統(tǒng)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)，無(wú)法新建賬戶表
存儲(chǔ)壓力。如果采用傳統(tǒng)的方式，則賬戶表會(huì)隨著時(shí)間的推移不停地增大，為后續(xù)的表的分片與備份造成很大困難
易造成隱私泄露。賬戶表的信息會(huì)直觀的暴露余額等敏感信息
utxo模型則很有技巧的避免了這些，在utxo模型下實(shí)現(xiàn)的每一筆交易，都不需要顯式的提供轉(zhuǎn)賬地址和接收地址（utxo中沒(méi)有賬戶，也不需要提供地址），只需提供這比交易的 交易輸入 和 交易輸出 即可，而交易輸入與交易輸出又是什么？
交易輸入指向一筆交易輸出，而且 “這筆交易輸出是可以供轉(zhuǎn)賬者消費(fèi)的，因此這筆交易輸出也被稱作utxo（未花費(fèi)交易輸出）”，它包括“某一筆交易、指向這筆交易的某個(gè)可用交易輸出的索引值和一個(gè)解鎖腳本”。這個(gè)解鎖腳本用來(lái)驗(yàn)證某筆可用的消費(fèi)輸出是否可以被提供解鎖腳本的人所使用。
交易輸出則是存儲(chǔ)BTC“余額”的一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它廣義上包括兩部分：BTC的數(shù)量和一個(gè)鎖定腳本。 BTC的數(shù)量可以理解為余額，表示這筆交易產(chǎn)生的結(jié)果；而鎖定腳本則是用某種算法鎖定這個(gè)BTC余額，直到某人可以提供解鎖該腳本的數(shù)據(jù)鑰匙，這比數(shù)額BTC才會(huì)被這個(gè)人所消費(fèi)。
從這個(gè)角度看，一筆交易會(huì)包含若干個(gè)交易輸入，同時(shí)產(chǎn)生若干個(gè)交易輸出。這些交易輸入都會(huì)指向之前某筆交易的未被消費(fèi)輸出（utxo），并提供各自的解鎖腳本以證明這些utxo里的BTC是屬于轉(zhuǎn)賬方；同時(shí)將轉(zhuǎn)賬產(chǎn)生的所有交易輸出用對(duì)應(yīng)方的公鑰進(jìn)行加密（此處是為了更好的理解才解釋為公鑰加密，實(shí)質(zhì)上是公鑰哈希，即btc地址進(jìn)行逆向base58編碼的一段字符串），鎖定這幾筆交易輸出，等待交易輸入中的解鎖腳本解鎖。
所以，BTC沒(méi)有賬戶的概念，所有的“余額”都在區(qū)塊鏈上，不過(guò)這些余額都已經(jīng)被加密了，只有提供私鑰和簽名的人才可以使用對(duì)應(yīng)的utxo的余額，因此這就是為什么BTC持有者必須保存好自己的私鑰的原因。
UTXO的node.js實(shí)現(xiàn) 交易輸入export class Input {
private txId: string;
private outputIndex: number;
private unlockScript: string;
public get $txId(): string {
return this.txId;
}
public set $txId(value: string) {
this.txId = value;
}
public get $outputIndex(): number {
return this.outputIndex;
}
public set $outputIndex(value: number) {
this.outputIndex = value;
}
public get $unlockScript(): string {
return this.unlockScript;
}
public set $unlockScript(value: string) {
this.unlockScript = value;
}
constructor(txId: string, index: number, unlockScript: string){
this.txId = txId;
this.outputIndex = index;
this.unlockScript = unlockScript;
}
// 反序列化，進(jìn)行類(lèi)型轉(zhuǎn)換
public static createInputsFromUnserialize(objs: Array){
let ins = [];
objs.forEach((obj)=>{
ins.push(new Input(obj.txId,obj.outputIndex,obj.unlockScript));
});
return ins;
}
canUnlock (privateKey: string): boolean{
if(privateKey == this.unlockScript){
return true;
}else{
return false;
}
}
}
私有屬性txId標(biāo)識(shí) “某個(gè)可用的utxo所屬的交易”，是一串sha256編碼的字符串；
outputIndex表示 “這個(gè)可用的utxo在對(duì)應(yīng)交易的序號(hào)值”；
unlockScript則是解鎖腳本，此處并未完全按照BTC的原型去實(shí)現(xiàn)，而是簡(jiǎn)單的驗(yàn)證使用者的私鑰來(lái)實(shí)現(xiàn)鑒權(quán)，原理上仍遵從BTC的思想。
import * as rsaConfig from "../../rsa.json";
export class Output {
private value: number;
// 鎖定腳本，需要使用UTXO歸屬者用私鑰進(jìn)行簽名通過(guò)
// 當(dāng)解鎖UTXO成功后，此UTXO變?yōu)橄乱粋€(gè)交易的交易輸入，同時(shí)使用接收方的地址（公鑰）鎖定本次交易的交易輸出，
// 等待接收方使用私鑰簽名使用該UTXO
// 因此，btc沒(méi)有賬戶的概念，所有的“錢(qián)”由自己的公鑰所加密保存，只有用自己的私鑰才能使用這些錢(qián)（即解鎖了UTXO的解鎖腳本）
private lockScript: string;
// 該屬性僅僅在交易時(shí)使用，設(shè)置屬性
private txId: string;
// 該屬性僅僅在交易時(shí)使用，設(shè)置屬性
private index: number;
public get $index(): number {
return this.index;
}
public set $index(value: number) {
this.index = value;
}
public get $txId(): string {
return this.txId;
}
public set $txId(value: string) {
this.txId = value;
}
public get $value(): number {
return this.value;
}
public set $value(value: number) {
this.value = value;
}
/* public get $lockScript(): string {
return this.lockScript;
}
public set $lockScript(value: string) {
this.lockScript = value;
} */
constructor(value: number,publicKey: string){
this.value = value;
this.lockScript = publicKey;
}
// 反序列化，進(jìn)行類(lèi)型轉(zhuǎn)換
public static createOnputsFromUnserialize(objs: Array
交易輸出中的value屬性標(biāo)識(shí)當(dāng)前utxo的余額，即BTC個(gè)數(shù)；
lockScript屬性為鎖定腳本，在我們的簡(jiǎn)易實(shí)現(xiàn)中就為接收方的公鑰，并不是BTC中的逆波蘭式，但大體原理相同，都需要提供私鑰來(lái)進(jìn)行解密。
一筆交易，包含了若干個(gè)交易輸入和交易輸出，同時(shí)也提供了一個(gè)txId唯一的標(biāo)識(shí)這比交易。從結(jié)構(gòu)上看是這樣的：
export class Transaction {
private txId: string;
private inputTxs: Array;
private outputTxs: Array
其中 txId的計(jì)算這里并沒(méi)有嚴(yán)格按照BTC實(shí)現(xiàn)的那樣進(jìn)行計(jì)算，而是簡(jiǎn)單的進(jìn)行對(duì)象序列化進(jìn)行一次sha256。
coinbase交易我們都知道得到比特幣需要挖礦，其實(shí)挖礦也屬于一種交易，不過(guò)是一種沒(méi)有確定交易輸入的一種交易，它也被稱作coinbase交易。coinbase交易在每一個(gè)區(qū)塊中都會(huì)存在，它的總額包括了系統(tǒng)針對(duì)礦工打包交易過(guò)程的獎(jiǎng)勵(lì)以及其他轉(zhuǎn)賬方提供的手續(xù)費(fèi)，如下圖：
因此，創(chuàng)建一個(gè)coinbase交易也很容易
// coinbase交易用于給礦工獎(jiǎng)勵(lì)，input為空，output為礦工報(bào)酬
public static createCoinbaseTx(pubKey: string, info: string){
let input = new Input("",-1,info);
let output = new Output(AWARD, pubKey);
let tx = new Transaction("",[input],[output])
tx.setTxId();
return tx;
}
在我們的實(shí)現(xiàn)中，只需提供鎖定utxo的公鑰以及一串描述字符串即可，最后設(shè)置交易的txId，完成coinbase交易的創(chuàng)建。
也提供了識(shí)別coinbase交易的方法：
public static isCoinbaseTx(tx: Transaction){
if(tx.$inputTxs.length == 1 && tx.$inputTxs[0].$outputIndex == -1 && tx.$inputTxs[0].$txId == ""){
return true;
}else{
return false;
}
}
至此，coinbase交易就完成了，這是最簡(jiǎn)單的一種交易，并沒(méi)有涉及到轉(zhuǎn)賬方，也就是交易輸入。
轉(zhuǎn)賬交易使用BTC就避免不了轉(zhuǎn)賬，轉(zhuǎn)賬事務(wù)在utxo模型的實(shí)現(xiàn)就是添加了一筆Transaction到某個(gè)區(qū)塊而已。每一筆交易都需要交易輸入和交易輸出，因此在BTC中，轉(zhuǎn)賬的核心就是找到轉(zhuǎn)賬方的utxo進(jìn)行消費(fèi)，同時(shí)將指定數(shù)量的BTC劃到指定的消費(fèi)輸出上，如果仍有剩余，則找零至自己的消費(fèi)輸出。
// 創(chuàng)建轉(zhuǎn)賬交易
public static createTransaction(from: string, fromPubkey: string, fromKey: string, to: string, toPubkey: string, coin: number){
let outputs = this.findUTXOToTransfer(fromKey, coin);
console.log(`UTXOToTransfer： ${JSON.stringify(outputs)}, from: ${from} to ${to} transfer ${coin}`)
let inputTx = [], sum = 0, outputTx = [];
outputs.forEach((o)=>{
sum += o.$value;
inputTx.push(new Input(o.$txId,o.$index,fromKey));
});
if(sum < coin){
throw Error(`余額不足，轉(zhuǎn)賬失敗! from ${from} to ${to} transfer ${coin}btc, but only have ${sum}btc`);
}
// 公鑰鎖住腳本
outputTx.push(new Output(coin,toPubkey));
if(sum > coin){
outputTx.push(new Output(sum-coin,fromPubkey));
}
let tx = new Transaction("",inputTx,outputTx);
tx.setTxId();
return tx;
}
創(chuàng)建一個(gè)交易，需要提供轉(zhuǎn)賬方的地址（公鑰哈希）、轉(zhuǎn)賬方的公鑰和私鑰、接收方的地址、接收方的公鑰以及轉(zhuǎn)賬的BTC數(shù)量。這筆交易由轉(zhuǎn)賬發(fā)發(fā)起，因此需要提供轉(zhuǎn)賬方的私鑰進(jìn)行解鎖腳本。
首先，通過(guò) findUTXOToTransfer 找到滿足轉(zhuǎn)賬數(shù)量的可用的utxo，它需要提供轉(zhuǎn)賬方的私鑰以及轉(zhuǎn)賬數(shù)量；
接下來(lái)根據(jù)獲得的可用utxo，進(jìn)行創(chuàng)建對(duì)應(yīng)的交易輸入；
然后用接收方的公鑰加密交易輸出，同時(shí)如果有余額的化找零給自己，用自己的公鑰加密；
最后根據(jù)得到的交易輸入與交易輸出，創(chuàng)建一筆交易，計(jì)算txId，加入到區(qū)塊中（我們的demo是在單機(jī)下進(jìn)行模擬，并未實(shí)現(xiàn)多播），等待挖礦。
轉(zhuǎn)賬的核心在于 findUTXOToTransfer，在findUTXOToTransfer中，通過(guò)調(diào)用 getAllUnspentOutputTx拿到所有的可用的utxo，并篩選出滿足給定數(shù)量BTC的utxo。
