區塊鏈入門 ③ - 交易

交易

概述

位元幣交易本質上包含交易參與者價值轉移的相關資訊資料結構，位元幣區塊鏈是一本全球復式記賬總賬簿，每筆交易都是在位元幣區塊鏈上的一個公開記錄，

本章中使用術語“錢包”時，我們指的是構建交易的軟體，而不僅僅是包含密鑰的資料庫，

前置知識

UTXO

UTXO，即“未花費的交易輸出”（unspent transaction outputs），所有 UTXO 的集合被稱為 UTXO 集，UTXO 集大小在新的 UTXO 增加時而增長，并在 UTXO 被消耗時而縮小，每一個交易都代表 UTXO 集中的變化（狀態轉換），

• UTXO 的最小單位是八位小數的“聰”，
• UTXO 是面值為“聰”的離散且不可分割的價值單位，一個 UTXO 只能在一次交易中作為一個整體被消耗，如果一個 UTXO 面值大于一筆交易所需，它仍然必須作為整體全部使用，但同時會在交易中生成零頭，位元幣應用可以使用一些策略來滿足付款需求：組合若干小額 UTXO，并算出準確的找零；或者使用一個比交易額大的 UTXO 然后進行找零，
• 交易會消耗先前記錄的未使用的 UTXO，并創建可供未來交易使用的新的 UTXO，通過這種方式，大量的位元幣在消費和創建 UTXO 的交易鏈中在所有者之間進行轉移，
• “幣基交易”（Coinbase Transaction）：每個區塊中的第一筆交易，這筆交易由“獲勝”礦工設定，創建全新位元幣并支付給該礦作業為采礦獎勵，幣基交易并不消費 UTXO，相反，它有一種稱為“coinbase”的特殊型別的輸入，

余額

用戶的位元幣“余額”是指用戶錢包中可用的 UTXO總和，它們可能分散在數百個交易和區塊中，位元幣錢包通過掃描區塊鏈并匯聚所有屬于該錢包控制的私鑰的 UTXO 來計算該用戶的余額，

位元幣腳本語言

位元幣的腳本語言是一種基于堆疊的語言，腳本語言通過從左到右處理每個專案來執行腳本，

• 數字（資料常量）被推到堆疊上，操作碼（Operators）從堆疊中推送或彈出一個或多個引數，對其執行操作，并可能將結果推送到堆疊上，例如，操作碼 OP_ADD 將從堆疊中彈出兩個專案，添加它們，并將結果的總和推送到堆疊上，
• 條件操作碼（Conditional operators）對一個條件進行計算，產生一個 TRUE 或 FALSE 的布爾結果（boolean result），例如，OP_EQUAL 從堆疊中彈出兩個專案，如果它們相等，則推送為 TRUE（由數字 1 表示），否則推送為 FALSE（由數字 0 表示），

位元幣數字簽名

數字簽名是一種由兩部分組成的數學方案：第一部分是使用私鑰對資料創建簽名的演算法；第二部分是允許在給定資料和公鑰時驗證簽名合法性的演算法，位元幣中使用的數字簽名演算法是橢圓曲線數字簽名演算法（Elliptic Curve Digital Signature Algorithm，ECDSA）

• 創建簽名

在位元幣的 ECDSA 演算法的實作中，被簽名的“訊息”是交易，或更確切地說是交易中特定資料子集的哈希值，簽名密鑰是用戶的私鑰，結果就是簽名，簽名 Sig 由兩個值組成，稱為 R 和 S：Sig = (R, S)，

具體流程如下：

1. 簽名演算法首先生成一個臨時密鑰對，臨時密鑰對基于亂數 k，用作臨時私鑰，如果使用相同的值 k 在不同的訊息（交易）上生成兩個簽名，那么任何人都可以計算出簽名私鑰！！！
2. 利用 k，我們生成相應的臨時公鑰 P（以 P=k*G 計算，與派生位元幣公鑰相同），
3. 數字簽名的R值則是臨時公鑰 P 的 x 軸坐標，
4. 數字簽名的S值：
   \[S = k^{-1}(Hash(m) + dA * R) mod n \]

其中：

• k是臨時私鑰
• R是臨時公鑰的 x 坐標
• dA是簽名私鑰
• m是交易資料（或其部分）
• n是橢圓曲線的階
• 驗證簽名

驗證使用資料（交易或其部分的哈希值），簽名者的公鑰和簽名（R 和 S 值）來計算值 P，該值是橢圓曲線上的一個點，如果計算出的點P的x坐標等于R，則簽名有效，

其中：

• R和S是簽名值

• Qa是簽名者的公鑰

• m是交易資料（或其部分）

• G是橢圓曲線生成點

• 數字簽名的用途：

  • 身份認證性 : 簽名證明私鑰的所有者，即資金所有者，已經授權支出這些資金，
  • 不可否認性 : 授權證明是不可否認的（不可否認性），
  • 完整性 : 簽名證明交易（或交易的特定部分）在簽名之后沒有也不能被任何人修改，

交易輸出

每一筆位元幣交易都會創造輸出，并被位元幣賬簿（區塊鏈）記錄下來，除特例之外，幾乎所有的輸出都能創造 UTXO，

交易輸出包含兩部分：

• "value"：一定量的位元幣，面值為“聰”（satoshis），
• "scriptPubKey"：作為花費輸出所需條件的加密難題（cryptographic puzzle），也被稱為鎖定腳本（locking script）、見證腳本（witness script），或腳本公鑰（scriptPubKey），

{
    ...
    "vout": [
        {
            "value": 0.01500000,
            "scriptPubKey": "OP_DUP OP_HASH160 ab68025513c3dbd2f7b92a94e0581f5d50f654e7 OP_EQUALVERIFY OP_CHECKSIG"
        },
        {
            "value": 0.08450000,
            "scriptPubKey": "OP_DUP OP_HASH160 7f9b1a7fb68d60c536c2fd8aeaa53a8f3cc025a8 OP_EQUALVERIFY OP_CHECKSIG"
        }
    ]
}

交易輸入

交易輸入將 UTXO（通過被參考）標記為將被消費，并通過解鎖腳本提供所有權證明，

交易輸入包含四部分：

• "txid"：一個交易 ID，參考包含正在使用的 UTXO 的交易（不是 UTXO），
• "vout"：一個輸出索引，用于標識來自該交易中的第幾個 UTXO被參考（一個交易可能存在多個輸出，第一個為零），
• "scriptSig"：一個解鎖腳本，錢包構建它是為了滿足 UTXO 中設定的消費條件，滿足放置在 UTXO 上的支付條件，解鎖支出，
• "scriptSig"：一個序列號，與時間鎖有關，

{
    ...
    "vin": [
        {
            "txid": "7957a35fe64f80d234d76d83a2a8f1a0d8149a41d81de548f0a65a8a999f6f18",
            "vout": 0,
            "scriptSig": "3045022100884d142d86652a3f47ba4746ec719bbfbd040a570b1deccbb6498c75c4ae24cb02204b9f039ff08df09cbe9f6addac960298cad530a863ea8f53982c09db8f6e3813[ALL]0484ecc0d46f1918b30928fa0e4ed99f16a0fb4fde0735e7ade8416ab9fe423cc5412336376789d172787ec3457eee41c04f4938de5cc17b4a10fa336a8d752adf",
            "sequence": 4294967295
        }
    ]
}

• 注意：交易輸入中僅包含了“txid”，需要首先從區塊鏈中檢索參考的 UTXO，來獲取該 UTXO 的面值和鎖定條件，

交易腳本

位元幣網路處理的大多數交易花費的是由“付款至公鑰散列”（Pay-to-Public-Key-Hash，P2PKH）腳本鎖定的輸出，

相應的鎖定腳本和解鎖腳本如下：

• 鎖定腳本（scriptPubKey）：鎖定腳本是一個放置在輸出上的花費條件：它指定了今后花費這筆輸出必須要滿足的條件，其包含一個公鑰散列（hash）值，即我們常說的位元幣地址，
• 解鎖腳本（scriptSig）：解鎖腳本是“解決”或滿足輸出上鎖定腳本設定的花費條件并允許花費輸出的腳本，解鎖腳本是交易輸入的一部分，其包含散列值對應的公鑰和由相應私鑰創建的數字簽名，

每個位元幣驗證節點將通過一起執行鎖定和解鎖腳本來驗證交易，

1. 每個輸入都包含一個解鎖腳本，并參考先前存在的 UTXO，
2. 驗證軟體將復制解鎖腳本，檢索輸入參考的 UTXO，并從該 UTXO 復制鎖定腳本，
3. 然后按順序執行解鎖和鎖定腳本，如果解鎖腳本滿足鎖定腳本條件，則輸入有效，所有輸入都是獨立驗證的，作為交易整體驗證的一部分，

例子：

• 鎖定腳本

OP_DUP OP_HASH160 <Cafe Public Key Hash> OP_EQUALVERIFY OP_CHECKSIG

• 解鎖腳本

<Cafe Signature> <Cafe Public Key>

• 組合驗證腳本

<Cafe Signature> <Cafe Public Key> OP_DUP OP_HASH160 <Cafe Public Key Hash> OP_EQUALVERIFY OP_CHECKSIG

• 驗證流程

簽名散列型別

位元幣簽名有一種方法，用于通過使用 SIGHASH 標志來指示交易資料的某一部分包含在由私鑰簽名的散列中，

每個輸入可能在其解鎖腳本中包含一個簽名，因此，包含多個輸入的交易可以擁有具有不同 SIGHASH 標志的多個簽名，這些標志在每個輸入中承諾交易的不同部分，

有三個 SIGHASH 標志：ALL，NONE 和 SINGLE，

另外還有一個修飾符標志 SIGHASH_ANYONECANPAY，它可以與前面的每個標志組合使用，

當設定 ANYONECANPAY 時，只有當前輸入被簽名，其余的（及其序列號）保持開放以進行修改， ANYONECANPAY 的值為 0x80，并通過按位 OR 運算，得到如下表所示組合標志：

應用 sighash 標志的方式：

1. 根據使用的 SIGHASH 標志，生成交易的副本并截斷其中的某些欄位（設定為零長度并清空），
2. 序列化交易副本，將 SIGHASH 標志被添加到序列化交易的結尾，
3. 將序列化交易副本 +SIGHASH 標志散列，得到的散列值即是被簽名的“訊息”，
4. 因為在散列化前，SIGHASH 作為最后一步被包含在內，簽名也會對 SIGHASH 型別進行簽署，因此不能被更改（例如，不能被礦工修改），

應用：

• ALL|ANYONECANPAY：這種標記可以用來做“眾籌”交易，眾籌發起人可以用單筆輸出來構建一個交易，這筆輸出將“目標”金額付給眾籌發起人，這樣的交易顯然是無效的，因為它沒有輸入，但是現在其他人可以通過添加自己的輸入作為捐贈來修改它們，他們用 ALL|ANYONECANPAY 簽署自己的輸入，直到收集到足夠的輸入以達到輸出的目標金額前，交易無效，每一筆捐款都是一種“承諾”，在募集夠整個目標金額之前，籌款不能識訓，
• NONE：該結構可用于創建特定金額的“不記名支票”或“空白支票”，它對輸入進行承諾，但允許輸出鎖定腳本被更改，任何人都可以將自己的位元幣地址寫入輸出鎖定腳本并兌換交易，
• NONE|ANYONECANPAY：這種構造可以用來建造一個“吸塵器”，在錢包中擁有微小 UTXO 的用戶無法花費這些費用，因為手續費超過了這些微小 UTXO 的價值，借助這種型別的簽名，微小 UTXO 可以捐贈給任何愿意募集的人并由他們隨時花費，

交易費

交易費是指輸入和輸出之間的差值，從所有輸入中扣掉所有輸出之后的剩余的金額是礦工收取的交易費，

• 交易的資料結構本身沒有交易費這個欄位，
• 交易費是以千位元組為單位計算的，而不是位元幣交易的金額，這意味著如果把大量小型 UTXO 作為輸入可能需要支付更高的交易費，
• 交易費作為礦工打包（挖礦）一筆交易到下一個區塊中的一種激勵；同時作為一種抑制因素，通過對每一筆交易收取小額費用來防止對系統的濫用，成功挖到某區塊的礦工將得到該區內包含的交易費，并將該區塊添加至區塊鏈中，
• 大多數情況下，交易費影響處理優先級，這意味著有足夠費用的交易費更可能被打包進下一個挖出的區塊中；任何創建交易的位元幣服務，包括錢包、交易所、零售應用等，都必須實作交易費動態計算功能，

標籤：區塊鏈

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