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在公鏈基礎上實作區塊鏈交易

區塊鏈的目的，是能夠安全可靠的存盤交易，比如我們常見的位元幣的交易，這里我們會以位元幣為例實作區塊鏈上的通用交易，上一節用簡單的資料結構完成了區塊鏈的公鏈，本節在此基礎上對區塊鏈的交易部分進行實作，實作公鏈

交易機制

在區塊鏈中，交易一旦被創建，就沒有任何人能夠再去修改或是洗掉它，本節將實作一個交易的基本框架，具體交易細節將會在之后給出，

以位元幣為例，不同于一般概念的賬戶模型，其交易采用的是UTXO模型，我們所需要的資訊，都間接的包含在了每一筆交易中，包括用戶的余額資訊，

對于每一筆交易，你可以想象成一個通道，通道的左端有若干個輸入資訊，通道的右端會有若干輸出資訊，輸入資訊代表的意義是，該交易所用的幣是從何而來，一條交易可以有0到多個幣源（0是特殊情況，即被挖出的礦，因為沒有用戶來源，所以沒有輸入資訊），輸出資訊代表的意義是，進行該交易后，數字貨幣變動到哪里去了，因此，一條交易資訊中貨幣的輸入數量與輸出數量應該是等價的，數字貨幣的來源總和，等于數字貨幣的輸出總和，不難想象，與傳統的賬戶模型相比，在UTXO模型中用戶的賬戶余額是記錄在交易的輸出部分，

舉個最簡單的例子，假設A需要給B支付了一個位元幣，將執行以下流程：

查看當前已有的交易資訊，找到交易輸出指向自己的交易并將余額計入總和
判斷當前交易資訊輸出中是否有足夠的數字貨幣屬于自己
當余額不足時，提示余額不足資訊
當余額充足時，新建一條交易，即一個UTXO
該UTXO的輸入資訊是消費用戶的部分余額（不需要消費用戶的所有余額，只要滿足夠用就行），而用戶的余額是記錄在之前已有的UTXO的輸出中，所以新交易的輸入，便是之前某些交易的輸出，
當用戶找到的余額數量與本次交易所需的數量不相等時，用戶可以將剩下的貨幣再向自己輸出，即找零，以保證交易的輸入與輸出相等

這樣我們就實作了一個簡單的交易，在這場交易中有貨幣的來源，貨幣有明確的去向，同時攜帶了我們正在進行的交易資訊，

之后我們將結合代碼，讓這種邏輯變得更加清晰，下面這張圖是對UTXO模型的簡單描述：
在這里插入圖片描述
Coinbase交易是特殊的一種交易，它表示礦工挖出了新的礦，作用是將新挖出的礦加入公鏈中并將輸出指向挖礦的礦工，

該例子表示，張三挖礦得到12.5個位元幣，然后支付了2.5個給李四，自己剩余10位元幣，之后張三李四各支付2.5個位元幣給王五，最終張三還剩7.5個位元幣，李四余額用盡，王五剩余5個位元幣，總和12.5等于張三挖出的總礦幣，

編碼實作

與之前已經完成的實作公鏈的代碼相比，區塊鏈的交易需要新建一個transaction.go檔案，用來實作交易邏輯，其余檔案中的代碼，會跟隨交易機制的加入進行微小的調整，

transaction.go

以下為transaction.go的代碼：

package main

import (
	"bytes"
	"crypto/sha256"
	"encoding/gob"
	"encoding/hex"
	"fmt"
	"log"
)

const subsidy = 10

// Transaction represents a Bitcoin transaction
type Transaction struct {
	ID   []byte
	Vin  []TXInput
	Vout []TXOutput
}

// IsCoinbase checks whether the transaction is coinbase
func (tx Transaction) IsCoinbase() bool {
	return len(tx.Vin) == 1 && len(tx.Vin[0].Txid) == 0 && tx.Vin[0].Vout == -1
}

// SetID sets ID of a transaction
func (tx *Transaction) SetID() {
	var encoded bytes.Buffer
	var hash [32]byte

	enc := gob.NewEncoder(&encoded)
	err := enc.Encode(tx)
	if err != nil {
		log.Panic(err)
	}
	hash = sha256.Sum256(encoded.Bytes())
	tx.ID = hash[:]
}

// TXInput represents a transaction input
type TXInput struct {
	Txid      []byte
	Vout      int
	ScriptSig string
}

// TXOutput represents a transaction output
type TXOutput struct {
	Value        int
	ScriptPubKey string
}

// CanUnlockOutputWith checks whether the address initiated the transaction
func (in *TXInput) CanUnlockOutputWith(unlockingData string) bool {
	return in.ScriptSig == unlockingData
}

// CanBeUnlockedWith checks if the output can be unlocked with the provided data
func (out *TXOutput) CanBeUnlockedWith(unlockingData string) bool {
	return out.ScriptPubKey == unlockingData
}

// NewCoinbaseTX creates a new coinbase transaction
func NewCoinbaseTX(to, data string) *Transaction {
	if data =https://www.cnblogs.com/ustca/p/= "" {
		data = fmt.Sprintf("Reward to'%s'", to)
	}

	txin := TXInput{[]byte{}, -1, data}
	txout := TXOutput{subsidy, to}
	tx := Transaction{nil, []TXInput{txin}, []TXOutput{txout}}
	tx.SetID()

	return &tx
}

// NewUTXOTransaction creates a new transaction
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)
		if err != nil {
			log.Panic(err)
		}

		for _, out := range outs {
			input := TXInput{txID, out, from}
			inputs = append(inputs, input)
		}
	}

	// Build a list of outputs
	outputs = append(outputs, TXOutput{amount, to})
	if acc > amount {
		outputs = append(outputs, TXOutput{acc - amount, from}) // a change
	}

	tx := Transaction{nil, inputs, outputs}
	tx.SetID()

	return &tx
}

代碼主要包含以下內容：

Transaction 結構體，包含當前交易的ID(交易需要ID)、輸入陣列以及輸出陣列
IsCoinbase函式，用來判斷當前交易是否是Coinbase交易（挖礦交易）
SetID函式給交易設定id
TXInput 結構體，包含輸入的某條交易的id，該交易某個輸出的金額與地址
TXOutput 結構體，包含當前交易的某個輸出的金額與地址
CanUnlockOutputWith函式判斷提供的地址能否匹配某條交易記錄的輸入地址
CanBeUnlockedWith函式判斷提供的地址能否匹配某條交易記錄的輸出地址
NewCoinbaseTX函式創建一條挖礦交易
NewUTXOTransaction函式創建一條新的交易

關于TXInput與TXOutput中地址的問題，因為目前還沒有實作區塊鏈中的地址，所以本節涉及的地址直接用字串代替，驗證地址也只是進行了字串對比，地址是必要的，它標注了當前的余額屬于誰，這里因為剛實作交易機制，還沒有引入真正的地址機制，所以是存在漏洞的，用戶只要知道有哪些用戶就可以直接往自己地址轉錢，在下一節會實作地址機制進行完善，

block.go

在transaction.go中實作了交易的結構體，如何創建一條新的交易，以及簡單的交易物件判斷，在其余檔案中，block.go檔案做了一些改動，主要是將原本的data字符串換成了Transaction交易，同樣的，下一節中我們會將本節的地址字串換成相應機制的地址，以下是改動后的block.go檔案：

package main

import (
	"bytes"
	"crypto/sha256"
	"encoding/gob"
	"log"
	"time"
)

// Block keeps block headers
type Block struct {
	Timestamp     int64
	Transactions  []*Transaction
	PrevBlockHash []byte
	Hash          []byte
	Nonce         int
}

// Serialize serializes the block
func (b *Block) Serialize() []byte {
	var result bytes.Buffer
	encoder := gob.NewEncoder(&result)

	err := encoder.Encode(b)
	if err != nil {
		log.Panic(err)
	}

	return result.Bytes()
}

// HashTransactions returns a hash of the transactions in the block
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[:]
}

// NewBlock creates and returns Block
func NewBlock(transactions []*Transaction, prevBlockHash []byte) *Block {
	block := &Block{time.Now().Unix(), transactions, prevBlockHash, []byte{}, 0}
	pow := NewProofOfWork(block)
	nonce, hash := pow.Run()

	block.Hash = hash[:]
	block.Nonce = nonce

	return block
}

// NewGenesisBlock creates and returns genesis Block
func NewGenesisBlock(coinbase *Transaction) *Block {
	return NewBlock([]*Transaction{coinbase}, []byte{})
}

// DeserializeBlock deserializes a block
func DeserializeBlock(d []byte) *Block {
	var block Block

	decoder := gob.NewDecoder(bytes.NewReader(d))
	err := decoder.Decode(&block)
	if err != nil {
		log.Panic(err)
	}

	return &block
}

添加了HashTransactions函式，用來將交易轉換成哈希值，其余函式隨結構體中Data->Transactions的變動相應調整，

blockchain.go

在blockchain.go中，涉及到尋找用戶余額（未花費交易輸出）操作，需要多做一些調整：

package main

import (
	"encoding/hex"
	"fmt"
	"log"
	"os"
	"bolt-master"
)

const dbFile = "blockchain.db"
const blocksBucket = "blocks"
const genesisCoinbaseData = https://www.cnblogs.com/ustca/p/"The Times 03/Jan/2009 Chancellor on brink of second bailout for banks"

// Blockchain implements interactions with a DB
type Blockchain struct {
	tip []byte
	db  *bolt.DB
}

// BlockchainIterator is used to iterate over blockchain blocks
type BlockchainIterator struct {
	currentHash []byte
	db          *bolt.DB
}

// MineBlock mines a new block with the provided transactions
func (bc *Blockchain) MineBlock(transactions []*Transaction) {
	var lastHash []byte

	err := bc.db.View(func(tx *bolt.Tx) error {
		b := tx.Bucket([]byte(blocksBucket))
		lastHash = b.Get([]byte("l"))

		return nil
	})

	if err != nil {
		log.Panic(err)
	}

	newBlock := NewBlock(transactions, lastHash)

	err = bc.db.Update(func(tx *bolt.Tx) error {
		b := tx.Bucket([]byte(blocksBucket))
		err := b.Put(newBlock.Hash, newBlock.Serialize())
		if err != nil {
			log.Panic(err)
		}

		err = b.Put([]byte("l"), newBlock.Hash)
		if err != nil {
			log.Panic(err)
		}

		bc.tip = newBlock.Hash

		return nil
	})
}

// FindUnspentTransactions returns a list of transactions containing unspent outputs
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
}

// FindUTXO finds and returns all unspent transaction outputs
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
}

// FindSpendableOutputs finds and returns unspent outputs to reference in inputs
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
}

// Iterator returns a BlockchainIterat
func (bc *Blockchain) Iterator() *BlockchainIterator {
	bci := &BlockchainIterator{bc.tip, bc.db}

	return bci
}

// Next returns next block starting from the tip
func (i *BlockchainIterator) Next() *Block {
	var block *Block

	err := i.db.View(func(tx *bolt.Tx) error {
		b := tx.Bucket([]byte(blocksBucket))
		encodedBlock := b.Get(i.currentHash)
		block = DeserializeBlock(encodedBlock)

		return nil
	})

	if err != nil {
		log.Panic(err)
	}

	i.currentHash = block.PrevBlockHash

	return block
}

func dbExists() bool {
	if _, err := os.Stat(dbFile); os.IsNotExist(err) {
		return false
	}

	return true
}

// NewBlockchain creates a new Blockchain with genesis Block
func NewBlockchain(address string) *Blockchain {
	if dbExists() == false {
		fmt.Println("No existing blockchain found. Create one first.")
		os.Exit(1)
	}

	var tip []byte
	db, err := bolt.Open(dbFile, 0600, nil)
	if err != nil {
		log.Panic(err)
	}

	err = db.Update(func(tx *bolt.Tx) error {
		b := tx.Bucket([]byte(blocksBucket))
		tip = b.Get([]byte("l"))

		return nil
	})

	if err != nil {
		log.Panic(err)
	}

	bc := Blockchain{tip, db}

	return &bc
}

// CreateBlockchain creates a new blockchain DB
func CreateBlockchain(address string) *Blockchain {
	if dbExists() {
		fmt.Println("Blockchain already exists.")
		os.Exit(1)
	}

	var tip []byte
	db, err := bolt.Open(dbFile, 0600, nil)
	if err != nil {
		log.Panic(err)
	}

	err = db.Update(func(tx *bolt.Tx) error {
		cbtx := NewCoinbaseTX(address, genesisCoinbaseData)
		genesis := NewGenesisBlock(cbtx)

		b, err := tx.CreateBucket([]byte(blocksBucket))
		if err != nil {
			log.Panic(err)
		}

		err = b.Put(genesis.Hash, genesis.Serialize())
		if err != nil {
			log.Panic(err)
		}

		err = b.Put([]byte("l"), genesis.Hash)
		if err != nil {
			log.Panic(err)
		}
		tip = genesis.Hash

		return nil
	})

	if err != nil {
		log.Panic(err)
	}

	bc := Blockchain{tip, db}

	return &bc
}

代碼的主要變動是新增了三個關于交易的函式：

FindUnspendTransactions遍歷公鏈，尋找交易資訊中沒有被使用過輸出的交易，即未被花費過的余額，當一條交易中的余額被其他交易用做過輸入，該余額也就不在具有余額的屬性，不能再次被交易
FindUTXO在內部呼叫了FindUnspendTransactions函式，與FindUnspendTransactions不同的是它用于查詢用戶的余額資訊，即所有有效未花費余額的總和
FindSpendableOutputs在內部呼叫了FindUnspendTransactions函式，用于找出哪些余額是可用的

其次，原本的Addblock被改成了更具體的Mineblock挖礦函式，新增了Createblockchain函式和dbExists函式，用來判斷資料庫是否存在，只有當資料庫中沒有公鏈時才能創建新的區塊鏈，

proofofwork.go

在proofofwork檔案中，僅在prepareData時將Data換成了HashTransactions，在挖礦時不再列印Data部分，proofofwork.go完整代碼如下：

package main

import (
	"bytes"
	"crypto/sha256"
	"fmt"
	"math"
	"math/big"
)

var (
	maxNonce = math.MaxInt64
)

const targetBits = 24

// ProofOfWork represents a proof-of-work
type ProofOfWork struct {
	block  *Block
	target *big.Int
}

// NewProofOfWork builds and returns a ProofOfWork
func NewProofOfWork(b *Block) *ProofOfWork {
	target := big.NewInt(1)
	target.Lsh(target, uint(256-targetBits))

	pow := &ProofOfWork{b, target}

	return pow
}

func (pow *ProofOfWork) prepareData(nonce int) []byte {
	data := bytes.Join(
		[][]byte{
			pow.block.PrevBlockHash,
			pow.block.HashTransactions(),
			IntToHex(pow.block.Timestamp),
			IntToHex(int64(targetBits)),
			IntToHex(int64(nonce)),
		},
		[]byte{},
	)

	return data
}

// Run performs a proof-of-work
func (pow *ProofOfWork) Run() (int, []byte) {
	var hashInt big.Int
	var hash [32]byte
	nonce := 0

	fmt.Printf("Mining a new block")
	for nonce < maxNonce {
		data := pow.prepareData(nonce)

		hash = sha256.Sum256(data)
		// fmt.Printf("\r%x", hash)
		hashInt.SetBytes(hash[:])

		if hashInt.Cmp(pow.target) == -1 {
			break
		} else {
			nonce++
		}
	}
	// fmt.Print("\n\n")

	return nonce, hash[:]
}

// Validate validates block's PoW
func (pow *ProofOfWork) Validate() bool {
	var hashInt big.Int

	data := pow.prepareData(pow.block.Nonce)
	hash := sha256.Sum256(data)
	hashInt.SetBytes(hash[:])

	isValid := hashInt.Cmp(pow.target) == -1

	return isValid
}

cli.go

cli.go檔案隨底層的一些變動，做出相應的業務邏輯改變，變動主要用于實作命令列操作，不涉及區塊鏈的邏輯：

package main

import (
	"flag"
	"fmt"
	"log"
	"os"
	"strconv"
)

// CLI responsible for processing command line arguments
type CLI struct{}

func (cli *CLI) createBlockchain(address string) {
	bc := CreateBlockchain(address)
	bc.db.Close()
	fmt.Println("Done!")
}

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)
}

func (cli *CLI) printUsage() {
	fmt.Println("Usage:")
	fmt.Println("  getbalance -address ADDRESS - Get balance of ADDRESS")
	fmt.Println("  createblockchain -address ADDRESS - Create a blockchain and send genesis block reward to ADDRESS")
	fmt.Println("  printchain - Print all the blocks of the blockchain")
	fmt.Println("  send -from FROM -to TO -amount AMOUNT - Send AMOUNT of coins from FROM address to TO")
}

func (cli *CLI) validateArgs() {
	if len(os.Args) < 2 {
		cli.printUsage()
		os.Exit(1)
	}
}

func (cli *CLI) printChain() {
	// TODO: Fix this
	bc := NewBlockchain("")
	defer bc.db.Close()

	bci := bc.Iterator()

	for {
		block := bci.Next()

		fmt.Printf("Prev. hash: %x\n", block.PrevBlockHash)
		fmt.Printf("Hash: %x\n", block.Hash)
		pow := NewProofOfWork(block)
		fmt.Printf("PoW: %s\n", strconv.FormatBool(pow.Validate()))
		fmt.Println()

		if len(block.PrevBlockHash) == 0 {
			break
		}
	}
}

func (cli *CLI) send(from, to string, amount int) {
	bc := NewBlockchain(from)
	defer bc.db.Close()

	tx := NewUTXOTransaction(from, to, amount, bc)
	bc.MineBlock([]*Transaction{tx})
	fmt.Println("Success!")
}

// Run parses command line arguments and processes commands
func (cli *CLI) Run() {
	cli.validateArgs()

	getBalanceCmd := flag.NewFlagSet("getbalance", flag.ExitOnError)
	createBlockchainCmd := flag.NewFlagSet("createblockchain", flag.ExitOnError)
	sendCmd := flag.NewFlagSet("send", flag.ExitOnError)
	printChainCmd := flag.NewFlagSet("printchain", flag.ExitOnError)

	getBalanceAddress := getBalanceCmd.String("address", "", "The address to get balance for")
	createBlockchainAddress := createBlockchainCmd.String("address", "", "The address to send genesis block reward to")
	sendFrom := sendCmd.String("from", "", "Source wallet address")
	sendTo := sendCmd.String("to", "", "Destination wallet address")
	sendAmount := sendCmd.Int("amount", 0, "Amount to send")

	switch os.Args[1] {
	case "getbalance":
		err := getBalanceCmd.Parse(os.Args[2:])
		if err != nil {
			log.Panic(err)
		}
	case "createblockchain":
		err := createBlockchainCmd.Parse(os.Args[2:])
		if err != nil {
			log.Panic(err)
		}
	case "printchain":
		err := printChainCmd.Parse(os.Args[2:])
		if err != nil {
			log.Panic(err)
		}
	case "send":
		err := sendCmd.Parse(os.Args[2:])
		if err != nil {
			log.Panic(err)
		}
	default:
		cli.printUsage()
		os.Exit(1)
	}

	if getBalanceCmd.Parsed() {
		if *getBalanceAddress == "" {
			getBalanceCmd.Usage()
			os.Exit(1)
		}
		cli.getBalance(*getBalanceAddress)
	}

	if createBlockchainCmd.Parsed() {
		if *createBlockchainAddress == "" {
			createBlockchainCmd.Usage()
			os.Exit(1)
		}
		cli.createBlockchain(*createBlockchainAddress)
	}

	if printChainCmd.Parsed() {
		cli.printChain()
	}

	if sendCmd.Parsed() {
		if *sendFrom == "" || *sendTo == "" || *sendAmount <= 0 {
			sendCmd.Usage()
			os.Exit(1)
		}

		cli.send(*sendFrom, *sendTo, *sendAmount)
	}
}

main.go

在main.go中，我們將所有的操作有交給cli物件進行，原本舊main.go中的新建創世塊操作，也放到了cli.go的邏輯中，所以只需要以下代碼：

package main

func main() {
	bc := NewBlockchain()
	defer bc.db.Close()

	cli := CLI{bc}
	cli.Run()
}

utils.go

沒有新的工具函式引入，utils.go檔案不變，

在下一節，將實作區塊鏈的地址機制，逐步完善整個區塊鏈，

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標籤：區塊鏈

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