翻译的系列文章我已经放到了 GitHub 上:blockchain-tutorial,后续如有更新都会在 GitHub 上,可能就不在这里同步了。如果想直接运行代码,也可以 clone GitHub 上的教程仓库,进入 src 目录执行 make 即可。


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,UTXOSetBlockchain 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:

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。

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_ADDOP_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 脚本 说明
1 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 52,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 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 脚本
1 <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 truefalse

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>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>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!

链接:

  1. Full source codes

  2. The UTXO Set:_Data_Storage#The_UTXO_set_.28chainstate_leveldb.29)

  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

载入中...
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