區塊鏈知識系列 - 位元幣的UTXO交易模型

UTXO

Bitcoin 采用了 UTXO 模型作為其底層存盤的資料結構，其全稱為 Unspent Transaction output，也就是未被使用的交易輸出，

1. 位元幣客戶端會在每次接收到新block時更新會所有未花掉的output，檢查一個交易是否合法只需要看這個交易的所有input是否在這個未花費的output表中
2. 輸出存在已使用和未使用兩個狀態，BTC賬本歷史并不記錄某個地址對應的BTC余額，地址的總余額是某一時刻與它關聯的所有未使用輸出的BTC數額之和，**所有未使用的交易輸出（Unspent Transaction Outputs，UTXO）就構成了BTC這個區塊鏈網路的一個狀態，**網路中的（全功能）節點各自維護一個狀態的副本，并在某一時刻就系統的狀態達成最終一致，
3. 一個輸入同樣也是一個串列，包含對之前一個未使用輸出的參考，以及能夠證明交易創建者滿足該輸出使用條件的有效簽名，即證明交易創建者對他參考的未使用輸出中BTC的使用權，被參考的輸出會從UTXO中洗掉，一筆交易還要滿足以下條件：輸出所包含的總金額應小于等于輸入所包含的總金額，這時輸入與輸出的差額作為交易費作為激勵費用獎勵給記賬的節點，滿足以上輸入與輸出的交易被看作是“合法的”，
4. 當一個地址要發布一筆交易時，它所做的其實是向BTC整個網路中的節點廣播該條交易，該條交易會被標記為“未確認的”（Unconfirmed），BTC網路并不是收到一條廣播就立刻更新系統的狀態，而是有區塊以及記憶體池的設計，
   在某一個時刻，所有BTC節點都維護著一個記錄UTXO的賬本，并有一個接收未確認交易的記憶體池（Mempool），當收到一條交易廣播時，節點就會把該交易加入自己的記憶體池，

腳本

1. 鎖定腳本是放置在輸出上的花費條件：它指定將來要花費輸出必須滿足的條件. scriptPubKey: 通常包含公鑰或位元幣地址（公鑰的哈希）
2. 解鎖腳本是可以“解決”或滿足鎖定腳本放置到輸出上的條件，從而花費輸出的腳本.大多數情況下，它們包含用戶錢包利用私鑰生成的數字簽名. scriptSig:
3. 每個位元幣驗證節點通過一起執行鎖定和解鎖腳本來驗證交易.只有正確滿足輸出條件的有效交易才會導致輸出被視為“已花費”并從未使用的交易輸出集和（UTXO集）中移除，
4. 首先，使用堆疊執行引擎執行解鎖腳本，如果解鎖腳本沒有錯誤地執行（例如，它沒有遺留的“懸掛（dangling）”運算子），則復制主堆疊并執行鎖定腳本，如果使用從解鎖腳本復制的堆疊資料執行鎖定腳本的結果為“TRUE”，則解鎖腳本已成功解決由鎖定腳本施加的條件，證明該輸入是用于花費UTXO的有效授權，如果在執行組合腳本后仍然存在除“TRUE”之外的結果，則輸入無效，因為它未能滿足放置在UTXO上的消費條件，
5. 請注意，交易的每個輸入都是獨立簽署的，這是至關重要的，因為簽名和輸入都不必屬于同一個“所有者”或被其使用，事實上，一個名為“CoinJoin”的特定交易方案利用這一事實來創建隱私的多方交易，
6. 多方可以協作構建交易并各自簽署一個輸入，

創建數字簽名

在位元幣的ECDSA演算法實作中，被簽名的“訊息”是交易，或者更準確地說是交易中特定資料子集的哈希（參見下文 簽名哈希的型別 (SIGHASH)，簽名密鑰是用戶的私鑰，結果是如下簽名：
((Sig = F_{sig}(F_{hash}(m), dA)))

其中:

• dA 是簽名私鑰

• m 是交易（或交易的一部分）

• F__hash 是哈希函式

• F__sig 是簽名演算法

• Sig 是簽名結果

生成簽名 Sig ，由兩部分組成： R 和 S: Sig = (R, S) , 再使用DER 的國際標準編碼方案序列化為位元組流，

簽名的序列化 (DER)

R 和 S 的序列化位元組流
序列化格式由以下九個元素組成：

• 0x30 —— 標識 DER 序列的開始

• 0x45 —— 序列長度 (69 bytes)

• 0x02 —— 接下來是一個整數

• 0x21 —— 整數的長度 (33 bytes)

• R —— 00884d142d86652a3f47ba4746ec719bbfbd040a570b1deccbb6498c75c4ae24cb

• 0x02 —— 接下來是另一個整數

• 0x20 —— 另一個整數的長度 (32 bytes)

• S —— 4b9f039ff08df09cbe9f6addac960298cad530a863ea8f53982c09db8f6e3813

• 一個后綴 (0x01) 標識使用的哈希型別 (SIGHASH_ALL)

驗證簽名

簽名驗證演算法采用訊息（交易或其部分資料的散列），簽名者的公鑰和簽名（ R 和 S 值），如果簽名對此訊息和公鑰有效，則回傳TRUE，

簽名哈希的型別 (SIGHASH)

有三種 SIGHASH 標志: ALL, NONE, 和 SINGLE

BTC Transaction RAW

{
  "version": 1,
  "locktime": 0,
  "vin": [
    {
      //一個交易ID，參考包含正在使用的UTXO的交易
      "txid":"7957a35fe64f80d234d76d83a2a8f1a0d8149a41d81de548f0a65a8a999f6f18",
      //一個輸出索引（vout），用于標識來自該交易的哪個UTXO被參考（第一個為零）
      "vout": 0,
      //一個 scriptSig（解鎖腳本），滿足放置在UTXO上的條件，解鎖它用于支出
      //大多數情況下，解鎖腳本是一個證明位元幣所有權的數字簽名和公鑰，但是并不是所有的解鎖腳本都包含簽名
      "scriptSig": "3045022100884d142d86652a3f47ba4746ec719bbfbd040a570b1deccbb6498c75c4ae24cb02204b9f039ff08df09cbe9f6addac960298cad530a863ea8f53982c09db8f6e3813[ALL] 0484ecc0d46f1918b30928fa0e4ed99f16a0fb4fde0735e7ade8416ab9fe423cc5412336376789d172787ec3457eee41c04f4938de5cc17b4a10fa336a8d752adf",
      //一個序列號
      "sequence": 4294967295
    }
 ],
  "vout": [
    {
	  //位元幣數額，最小單位為 聰  satoshis
      "value": 0.01500000,
      //定義了花費這些輸出所需條件的scriptPubKey
      "scriptPubKey": "OP_DUP OP_HASH160 ab68025513c3dbd2f7b92a94e0581f5d50f654e7 OP_EQUALVERIFY OP_CHECKSIG"
    },
    {
      "value": 0.08450000,
      "scriptPubKey": "OP_DUP OP_HASH160 7f9b1a7fb68d60c536c2fd8aeaa53a8f3cc025a8 OP_EQUALVERIFY OP_CHECKSIG",
    }
  ]
}

資料結構定義

class  CTransaction
{
	const  std::vector<CTxIn> vin;
	const  std::vector<CTxOut> vout;
	//const  int32_t nVersion;
	//const  uint32_t nLockTime;
}

class  CTxIn
{
	COutPoint prevout; //來自哪一筆交易的輸出
	CScript scriptSig; //簽名
	uint32_t nSequence;//用于鎖定時間（locktime）或禁用 (0xFFFFFFFF)
}

class  CTxOut
{
	CAmount nValue;			//余額
	CScript scriptPubKey; 	//持有當前輸出的公鑰
}
//--------------------------------------------------------------
class  COutPoint
{
	uint256 hash; 	//參考的交易id
	uint32_t n; 	//第幾條輸出
}

//Serialized script
typedef prevector<28, unsigned  char> CScriptBase;
class CScript : public  CScriptBase
{}

typedef  int64_t CAmount;

序列化

交易序列化 —— 輸出

交易序列化 —— 輸入

手續費

在每一筆合法的交易中，所有的輸入的 value 之和必須大于所有輸出的 value 之和，這兩者之間的差值就是礦工費：

sum(inputs.value) = sum(outputs.value) + fee

• 交易費用是以交易資料的大小（KB）計算的，而不是位元幣交易的價值，
• 在Bitcoin Core中，收費中繼策略由 minrelaytxfee 選項設定，當前的默認值是每KB資料0.00001位元幣或0.01毫位元幣，因此，默認情況下，低于0.00001位元幣的交易將被視為免費，并且只在記憶體池有空間時才會被中轉；否則，它們將被丟棄，位元幣節點可以通過調整 minrelaytxfee 的值來覆寫默認的收費中繼策略，
• 費用估算的API介面
  curl https://bitcoinfees.earn.com/api/v1/fees/recommended