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交易（2）

引言

在这个系列文章的一开始，我们就提到了，区块链是一个分布式数据库。不过在之前的文章中，我们选择性地跳过了“分布式”这个部分，而是将注意力都放到了“数据库”部分。到目前为止，我们几乎已经实现了一个区块链数据库的所有元素。今天，我们将会分析之前跳过的一些机制。而在下一篇文章中，我们将会开始讨论区块链的分布式特性。

之前的系列文章：

  1. 基本原型
  2. 工作量证明
  3. 持久化和命令行接口
  4. 交易（1）
  5. 地址

本文的代码实现变化很大，请点击 这里 查看所有的代码更改。

奖励

在上一篇文章中，我们略过的一个小细节是挖矿奖励。现在，我们已经可以来完善这个细节了。

挖矿奖励，实际上就是一笔 coinbase 交易。当一个挖矿节点开始挖出一个新块时，它会将交易从队列中取出，并在前面附加一笔 coinbase 交易。coinbase 交易只有一个输出，里面包含了矿工的公钥哈希。

实现奖励，非常简单，更新 send 即可：

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

    tx := NewUTXOTransaction(from, to, amount, &UTXOSet)
    cbTx := NewCoinbaseTX(from, "")
    txs := []*Transaction{cbTx, tx}

    newBlock := bc.MineBlock(txs)
    fmt.Println("Success!")
}

在我们的实现中，创建交易的人同时挖出了新块，所以会得到一笔奖励。

UTXO 集

在 Part 3: 持久化和命令行接口 中，我们研究了 Bitcoin Core 是如何在一个数据库中存储块的，并且了解到区块被存储在 blocks 数据库，交易输出被存储在 chainstate 数据库。会回顾一下 chainstate 的机构：

  1. c + 32 字节的交易哈希 -> 该笔交易的未花费交易输出记录
  2. B + 32 字节的块哈希 -> 未花费交易输出的块哈希

在之前那篇文章中，虽然我们已经实现了交易，但是并没有使用 chainstate 来存储交易的输出。所以，接下来我们继续完成这部分。

chainstate 不存储交易。它所存储的是 UTXO 集，也就是未花费交易输出的集合。除此以外，它还存储了“数据库表示的未花费交易输出的块哈希”，不过我们会暂时略过块哈希这一点，因为我们还没有用到块高度（但是我们会在接下来的文章中继续改进）。

那么，我们为什么需要 UTXO 集呢？

来思考一下我们早先实现的 Blockchain.FindUnspentTransactions 方法：

func (bc *Blockchain) FindUnspentTransactions(pubKeyHash []byte) []Transaction {
    ...
    bci := bc.Iterator()

    for {
        block := bci.Next()

        for _, tx := range block.Transactions {
            ...
        }

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

这个函数找到有未花费输出的交易。由于交易被保存在区块中，所以它会对区块链里面的每一个区块进行迭代，检查里面的每一笔交易。截止 2017 年 9 月 18 日，在比特币中已经有 485，860 个块，整个数据库所需磁盘空间超过 140 Gb。这意味着一个人如果想要验证交易，必须要运行一个全节点。此外，验证交易将会需要在许多块上进行迭代。

整个问题的解决方案是有一个仅有未花费输出的索引，这就是 UTXO 集要做的事情：这是一个从所有区块链交易中构建（对区块进行迭代，但是只须做一次）而来的缓存，然后用它来计算余额和验证新的交易。截止 2017 年 9 月，UTXO 集大概有 2.7 Gb。

好了，让我们来想一下实现 UTXO 集的话需要作出哪些改变。目前，找到交易用到了以下一些方法：

  1. Blockchain.FindUnspentTransactions - 找到有未花费输出交易的主要函数。也是在这个函数里面会对所有区块进行迭代。

  2. Blockchain.FindSpendableOutputs - 这个函数用于当一个新的交易创建的时候。如果找到有所需数量的输出。使用 Blockchain.FindUnspentTransactions.

  3. Blockchain.FindUTXO - 找到一个公钥哈希的未花费输出，然后用来获取余额。使用 Blockchain.FindUnspentTransactions.

  4. Blockchain.FindTransation - 根据 ID 在区块链中找到一笔交易。它会在所有块上进行迭代直到找到它。

可以看到，所有方法都对数据库中的所有块进行迭代。但是目前我们还没有改进所有方法，因为 UTXO 集没法存储所有交易，只会存储那些有未花费输出的交易。因此，它无法用于 Blockchain.FindTransaction。

所以，我们想要以下方法：

  1. Blockchain.FindUTXO - 通过对区块进行迭代找到所有未花费输出。

  2. UTXOSet.Reindex - 使用 UTXO 找到未花费输出，然后在数据库中进行存储。这里就是缓存的地方。

  3. UTXOSet.FindSpendableOutputs - 类似 Blockchain.FindSpendableOutputs，但是使用 UTXO 集。

  4. UTXOSet.FindUTXO - 类似 Blockchain.FindUTXO，但是使用 UTXO 集。

  5. Blockchain.FindTransaction 跟之前一样。

因此，从现在开始，两个最常用的函数将会使用 cache！来开始写代码吧。

type UTXOSet struct {
    Blockchain *Blockchain
}

我们将会使用一个单一数据库，但是我们会将 UTXO 集从存储在不同的 bucket 中。因此，UTXOSet 跟 Blockchain 一起。

func (u UTXOSet) Reindex() {
    db := u.Blockchain.db
    bucketName := []byte(utxoBucket)

    err := db.Update(func(tx *bolt.Tx) error {
        err := tx.DeleteBucket(bucketName)
        _, err = tx.CreateBucket(bucketName)
    })

    UTXO := u.Blockchain.FindUTXO()

    err = db.Update(func(tx *bolt.Tx) error {
        b := tx.Bucket(bucketName)

        for txID, outs := range UTXO {
            key, err := hex.DecodeString(txID)
            err = b.Put(key, outs.Serialize())
        }
    })
}

这个方法初始化了 UTXO 集。首先，如果 bucket 存在就先移除，然后从区块链中获取所有的未花费输出，最终将输出保存到 bucket 中。

Blockchain.FindUTXO 几乎跟 Blockchain.FindUnspentTransactions 一模一样，但是现在它返回了一个 TransactionID -> TransactionOutputs 的 map。

现在，UTXO 集可以用于发送币：

func (u UTXOSet) FindSpendableOutputs(pubkeyHash []byte, amount int) (int, map[string][]int) {
    unspentOutputs := make(map[string][]int)
    accumulated := 0
    db := u.Blockchain.db

    err := db.View(func(tx *bolt.Tx) error {
        b := tx.Bucket([]byte(utxoBucket))
        c := b.Cursor()

        for k, v := c.First(); k != nil; k, v = c.Next() {
            txID := hex.EncodeToString(k)
            outs := DeserializeOutputs(v)

            for outIdx, out := range outs.Outputs {
                if out.IsLockedWithKey(pubkeyHash) && accumulated < amount {
                    accumulated += out.Value
                    unspentOutputs[txID] = append(unspentOutputs[txID], outIdx)
                }
            }
        }
    })

    return accumulated, unspentOutputs
}

或者检查余额：

func (u UTXOSet) FindUTXO(pubKeyHash []byte) []TXOutput {
    var UTXOs []TXOutput
    db := u.Blockchain.db

    err := db.View(func(tx *bolt.Tx) error {
        b := tx.Bucket([]byte(utxoBucket))
        c := b.Cursor()

        for k, v := c.First(); k != nil; k, v = c.Next() {
            outs := DeserializeOutputs(v)

            for _, out := range outs.Outputs {
                if out.IsLockedWithKey(pubKeyHash) {
                    UTXOs = append(UTXOs, out)
                }
            }
        }

        return nil
    })

    return UTXOs
}

这是 Blockchain 方法的简单修改后的版本。这个 Blockchain 方法已经不再需要了。

有了 UTXO 集，也就意味着我们的数据（交易）现在已经被分开存储：实际交易被存储在区块链中，未花费输出被存储在 UTXO 集中。这样一来，我们就需要一个良好的同步机制，因为我们想要 UTXO 集时刻处于最新状态，并且存储最新交易的输出。但是我们不想每生成一个新块，就重新生成索引，因为这正是我们要极力避免的频繁区块链扫描。因此，我们需要一个机制来更新 UTXO 集：

func (u UTXOSet) Update(block *Block) {
    db := u.Blockchain.db

    err := db.Update(func(tx *bolt.Tx) error {
        b := tx.Bucket([]byte(utxoBucket))

        for _, tx := range block.Transactions {
            if tx.IsCoinbase() == false {
                for _, vin := range tx.Vin {
                    updatedOuts := TXOutputs{}
                    outsBytes := b.Get(vin.Txid)
                    outs := DeserializeOutputs(outsBytes)

                    for outIdx, out := range outs.Outputs {
                        if outIdx != vin.Vout {
                            updatedOuts.Outputs = append(updatedOuts.Outputs, out)
                        }
                    }

                    if len(updatedOuts.Outputs) == 0 {
                        err := b.Delete(vin.Txid)
                    } else {
                        err := b.Put(vin.Txid, updatedOuts.Serialize())
                    }

                }
            }

            newOutputs := TXOutputs{}
            for _, out := range tx.Vout {
                newOutputs.Outputs = append(newOutputs.Outputs, out)
            }

            err := b.Put(tx.ID, newOutputs.Serialize())
        }
    })
}

虽然这个方法看起来有点复杂，但是它所要做的事情非常直观。当挖出一个新块时，应该更新 UTXO 集。更新意味着移除已花费输出，并从新挖出来的交易中加入未花费输出。如果一笔交易的输出被移除，并且不再包含任何输出，那么这笔交易也应该被移除。相当简单！

现在让我们在必要的时候使用 UTXO 集：

func (cli *CLI) createBlockchain(address string) {
    ...
    bc := CreateBlockchain(address)
    defer bc.db.Close()

    UTXOSet := UTXOSet{bc}
    UTXOSet.Reindex()
    ...
}

当一个新的区块链被创建以后，就会立刻进行重建索引。目前，这是 Reindex 唯一使用的地方，即使这里看起来有点“杀鸡用牛刀”，因为一条链开始的时候，只有一个块，里面只有一笔交易，Update 已经被使用了。不过我们在未来可能需要重建索引的机制。

func (cli *CLI) send(from, to string, amount int) {
    ...
    newBlock := bc.MineBlock(txs)
    UTXOSet.Update(newBlock)
}

当挖出一个新块时，UTXO 集就会进行更新。

让我们来检查一下如否如期工作：

$ blockchain_go createblockchain -address 1JnMDSqVoHi4TEFXNw5wJ8skPsPf4LHkQ1
00000086a725e18ed7e9e06f1051651a4fc46a315a9d298e59e57aeacbe0bf73

Done!

$ blockchain_go send -from 1JnMDSqVoHi4TEFXNw5wJ8skPsPf4LHkQ1 -to 12DkLzLQ4B3gnQt62EPRJGZ38n3zF4Hzt5 -amount 6
0000001f75cb3a5033aeecbf6a8d378e15b25d026fb0a665c7721a5bb0faa21b

Success!

$ blockchain_go send -from 1JnMDSqVoHi4TEFXNw5wJ8skPsPf4LHkQ1 -to 12ncZhA5mFTTnTmHq1aTPYBri4jAK8TacL -amount 4
000000cc51e665d53c78af5e65774a72fc7b864140a8224bf4e7709d8e0fa433

Success!

$ blockchain_go getbalance -address 1JnMDSqVoHi4TEFXNw5wJ8skPsPf4LHkQ1
Balance of '1F4MbuqjcuJGymjcuYQMUVYB37AWKkSLif': 20

$ blockchain_go getbalance -address 12DkLzLQ4B3gnQt62EPRJGZ38n3zF4Hzt5
Balance of '1XWu6nitBWe6J6v6MXmd5rhdP7dZsExbx': 6

$ blockchain_go getbalance -address 12ncZhA5mFTTnTmHq1aTPYBri4jAK8TacL
Balance of '13UASQpCR8Nr41PojH8Bz4K6cmTCqweskL': 4

很好！1JnMDSqVoHi4TEFXNw5wJ8skPsPf4LHkQ1 地址接收到了 3 笔奖励：

  1. 一次是挖出创世块
  2. 一次是挖出块 0000001f75cb3a5033aeecbf6a8d378e15b25d026fb0a665c7721a5bb0faa21b
  3. 一个是挖出块 000000cc51e665d53c78af5e65774a72fc7b864140a8224bf4e7709d8e0fa433

Merkle 树

在这篇文章中，我还想要再讨论一个优化机制。

上如上面所提到的，完整的比特币数据库（也就是区块链）需要超过 140 Gb 的磁盘空间。因为比特币的去中心化特性，网络中的每个节点必须是独立，自给自足的，也就是每个节点必须存储一个区块链的完整副本。随着越来越多的人使用比特币，这条规则变得越来越难以遵守：因为不太可能每个人都去运行一个全节点。并且，由于节点是网络中的完全参与者，它们负有相关责任：节点必须验证交易和区块。另外，要想与其他节点交互和下载新块，也有一定的网络流量需求。

在中本聪的 比特币原始论文 中，对这个问题也有一个解决方案：简易支付验证（Simplified Payment Verification, SPV）。SPV 是一个比特币轻节点，它不需要下载整个区块链，也不需要验证区块和交易。相反，它会在区块链查找交易（为了验证支付），并且需要连接到一个全节点来检索必要的数据。这个机制允许在仅运行一个全节点的情况下有多个轻钱包。

为了实现 SPV，需要有一个方式来检查是否一个区块包含了某笔交易，而无须下载整个区块。这就是 Merkle 树所要完成的事情。

比特币用 Merkle 树来获取交易哈希，哈希被保存在区块头中，并会用于工作量证明系统。到目前为止，我们只是将一个块里面的每笔交易哈希连接了起来，将在上面应用了 SHA-256 算法。虽然这是一个用于获取区块交易唯一表示的一个不错的途径，但是它没有利用到 Merkle 树。

来看一下 Merkle 树：

Merkle tree

每个块都会有一个 Merkle 树，它从叶子节点（树的底部）开始，一个叶子节点就是一个交易哈希（比特币使用双 SHA256 哈希）。叶子节点的数量必须是双数，但是并非每个块都包含了双数的交易。因为，如果一个块里面的交易数为单数，那么就将最后一个叶子节点（也就是 Merkle 树的最后一个交易，不是区块的最后一笔交易）复制一份凑成双数。

从下往上，两两成对，连接两个节点哈希，将组合哈希作为新的哈希。新的哈希就成为新的树节点。重复该过程，直到仅有一个节点，也就是树根。根哈希然后就会当做是整个块交易的唯一标示，将它保存到区块头，然后用于工作量证明。

Merkle 树的好处就是一个节点可以在不下载整个块的情况下，验证是否包含某笔交易。并且这些只需要一个交易哈希，一个 Merkle 树根哈希和一个 Merkle 路径。

最后，来写代码：

type MerkleTree struct {
    RootNode *MerkleNode
}

type MerkleNode struct {
    Left  *MerkleNode
    Right *MerkleNode
    Data  []byte
}

先从结构体开始。每个 MerkleNode 包含数据和指向左右分支的指针。MerkleTree 实际上就是连接到下个节点的根节点，然后依次连接到更远的节点，等等。

让我们首先来创建一个新的节点：

func NewMerkleNode(left, right *MerkleNode, data []byte) *MerkleNode {
    mNode := MerkleNode{}

    if left == nil && right == nil {
        hash := sha256.Sum256(data)
        mNode.Data = hash[:]
    } else {
        prevHashes := append(left.Data, right.Data...)
        hash := sha256.Sum256(prevHashes)
        mNode.Data = hash[:]
    }

    mNode.Left = left
    mNode.Right = right

    return &mNode
}

每个节点包含一些数据。当节点在叶子节点，数据从外界传入（在这里，也就是一个序列化后的交易）。当一个节点被关联到其他节点，它会将其他节点的数据取过来，连接后再哈希。

func NewMerkleTree(data [][]byte) *MerkleTree {
    var nodes []MerkleNode

    if len(data)%2 != 0 {
        data = append(data, data[len(data)-1])
    }

    for _, datum := range data {
        node := NewMerkleNode(nil, nil, datum)
        nodes = append(nodes, *node)
    }

    for i := 0; i < len(data)/2; i++ {
        var newLevel []MerkleNode

        for j := 0; j < len(nodes); j += 2 {
            node := NewMerkleNode(&nodes[j], &nodes[j+1], nil)
            newLevel = append(newLevel, *node)
        }

        nodes = newLevel
    }

    mTree := MerkleTree{&nodes[0]}

    return &mTree
}

当生成一棵新树时，要确保的第一件事就是叶子节点必须是双数。然后，数据（也就是一个序列化后交易的数组）被转换成树的叶子，从这些叶子再慢慢形成一棵树。

btcsuite/btcd 是用数组实现的 merkle 树，因为这么做可以减少一半的内存使用。

现在，让我们来修改 Block.HashTransactions，它用于在工作量证明系统中获取交易哈希：

func (b *Block) HashTransactions() []byte {
    var transactions [][]byte

    for _, tx := range b.Transactions {
        transactions = append(transactions, tx.Serialize())
    }
    mTree := NewMerkleTree(transactions)

    return mTree.RootNode.Data
}

首先，交易被序列化（使用 encoding/gob），然后使用序列后的交易构建一个 Mekle 树。树根将会作为块交易的唯一标识符。

P2PKH

还有一件事情，我想要再谈一谈。

大家应该还记得，在比特币中有一个 *脚本（Script）*编程语言，它用于锁定交易输出；交易输入提供了解锁输出的数据。这个语言非常简单，用这个语言写的代码其实就是一系列数据和操作符而已。比如如下示例：

5 2 OP_ADD 7 OP_EQUAL

5, 2, 和 7 是数据，OP_ADD 和 OP_EQUAL 是操作符。脚本代码从左到右执行：将数据依次放入栈内，当遇到操作符时，就从栈内取出数据，并将操作符作用于数据，然后将结果作为栈顶元素。脚本的栈，实际上就是一个先进后出的内存存储：栈里的第一个元素最后一个取出，后面的每一个元素都会放到前一个元素之上。

让我们来对上面的脚本分部执行：

步骤 栈 脚本 说明
1 空 5 2 OP_ADD 7 OP_EQUAL 一开始栈为空
2 5 2 OP_ADD 7 OP_EQUAL 从脚本里面取出 5 放入栈上
3 5 2 OP_ADD 7 OP_EQUAL 从脚本里面取出 2 放入栈上
4 7 7 OP_EQUAL 遇到操作符 OP_ADD, 从栈里取出两个操作数 5 和 2，相加后将结果放回栈上
5 7 7 OP_EQUAL 从脚本里面取出 7 放到栈上
6 true 空 遇到操作符 OP_EQUAL，从栈里取出两个操作数并比较，将比较的结果放回栈内，脚本执行完毕，为空

OP_ADD 从栈内取两个元素，将这两个元素进行相加，然后将结果重新放回栈内。OP_EQUAL 从栈内取两个元素，然后对这两个元素进行比较：如果它们相等，就在栈上放一个 true，否则放一个 false。脚本执行的结果就是栈顶元素：在我们的案例中，如果是 true，那么表明脚本执行成功。

现在来看一下在比特币中，是如何用脚本执行支付的：

<signature> <pubKey> OP_DUP OP_HASH160 <pubKeyHash> OP_EQUALVERIFY OP_CHECKSIG

这个脚本叫做 Pay to Public Key Hash(P2PKH)，这是比特币最常用的一个脚本。它所做的事情就是向一个公钥哈希支付，也就是说，用某一个公钥锁定一些币。这是比特币支付的核心：没有账户，没有资金转移；只有一个脚本检查提供的签名和公钥是否正确。

这个脚本实际存储为两个部分：

  1. 第一个部分，<signature> <pubkey>，存储在输入的 ScriptSig 字段。

  2. 第二部分，OP_DUP OP_HASH160 <pubkeyHash> OP_EQUALVERYFY OP_CHECKSIG 存储在输出的 ScriptPubKey 里面。

因此，输出定了解锁的逻辑，输入提供解锁输出的“钥匙”。然我们来执行一下这个脚本：

步骤 栈 脚本
1 空 <signature> <pubKey> OP_DUP OP_HASH160 <pubKeyHash> OP_EQUALVERIFY OP_CHECKSIG
2 <signature> <pubKey> OP_DUP OP_HASH160 <pubKeyHash> OP_EQUALVERIFY OP_CHECKSIG
3 <signature> <pubkey> OP_DUP OP_HASH160 <pubKeyHash> OP_EQUALVERIFY OP_CHECKSIG
4 <signature> <pubKey> <pubKey> OP_HASH160 <pubKeyHash> OP_EQUALVERIFY OP_CHECKSIG
5 <signature> <pubKey> <pubKeyHash> <pubKeyHash> OP_EQUALVERIFY OP_CHECKSIG
6 <signature> <pubKey> <pubKeyHash> <pubKeyHash> OP_EQUALVERIFY OP_CHECKSIG
7 <signature> <pubKey> OP_CHECKSIG
8 true 或 false 空

OP_DUP 对栈顶元素进行复制。OP_HASH160 取栈顶元素，然后用 RIPEMD160 对它进行哈希，再将结果送回到栈上。OP_EQUALVERIFY 将栈顶的两个元素进行比较，如果它们不相等，终止脚本。OP_CHECKSIG 通过对交易进行哈希，并使用 <signature> 和 pubKey 来验证一笔交易的签名。最后的操作符有点复杂：它生成了一个修剪后的交易副本，对它进行哈希（因为它是一个被签名后的交易哈希），然后使用提供的 <signature> 和 pubKey 检查签名是否正确。

有了一个这样的脚本语言，实际上也可以让比特币成为一个智能合约平台：除了将一个单一的公钥转移资金，这个语言还使得一些其他的支付方案成为可能。

总结

这就是今天的全部内容了！我们已经实现了一个基于区块链的加密货币的几乎所有关键特性。我们已经有了区块链，地址，挖矿和交易。但是要想给这些所有的机制赋予生命，让比特币成为一个全球系统，还有一个不可或缺的环节：共识（consensus）。在下一篇文章中，我们将会开始实现区块链的“去中心化（decenteralized）”。敬请收听！

参考：

  1. Full source codes
  2. [The UTXO Set](https://en.bitcoin.it/wiki/Bitcoin_Core_0.11_(ch_2)
  3. Merkle Tree
  4. Script
  5. “Ultraprune” Bitcoin Core commit
  6. UTXO set statistics
  7. Smart contracts and Bitcoin
  8. Why every Bitcoin user should understand “SPV security”

原文链接：Building Blockchain in Go. Part 6: Transactions 2