区块链系列教程之:比特币的钱包与交易

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简介

钱包在比特币中是做什么的呢？比特币的交易又有什么特点呢？怎么才能伪造比特币的交易呢？今天和大家一起学习一下比特币中的钱包和交易。

比特币密码学的基础

之前我们提到过比特币使用的并不是什么新技术，只是对于老的技术比如：P2P网络，分布式系统，密码学，共识算法的重新而又巧妙的应用。

在钱包和交易生成验证的过程中，都需要使用到密码学的计算。这里我们先介绍一下比特币中会使用到的几种密码学技术。

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单向散列函数（hash算法）

在介绍单向散列函数之前，我们先了解一下什么情况下需要使用到单向散列函数。

如果你需要从国外的网站上下载一个软件，但是因为种种原因，国外的网络太慢了，下载几个G的数据几乎是不可能的。刚好国内有镜像网站，可以从国内下载数据。但是如何保证国内的镜像不是被篡改过后的呢？这个时候就需要单向散列函数了。一般来说网站会提供MD5或者SHA的值作为验证值。

单向散列函数有一个输入和输出。输入称为消息，输出称为散列值。

散列值的长度跟消息的长度无关，不论多少大小的长度的消息，都会计算出固定长度的散列值。

hash算法有下面几个特点：

1. 能够根据任意长度的消息计算出固定长度的散列值。
2. 计算速度要快。
3. 消息不同，散列值也不同。

   这就意味着，如果仅仅是一点点的变动都会引起整个散列值的巨大变化。

   因为散列值的大小是固定的，所以有可能会出现不同的消息产生相同散列值的情况。这种情况叫做碰撞。

   难以发现碰撞的性质被称为抗碰撞性。当给定某条消息的散列值时，必须保证很难找到和该消息具有相同散列值的另一条消息。

4. 单向散列函数必须具有单向性。所谓单向性是指无法通过散列值来反推出消息的性质。

比特币使用的散列算法是SHA256，他是安全散列算法SHA（Secure Hash Algorithm）系列算法的一种（另外还有SHA-1、SHA-224、SHA-384 和 SHA-512 等变体），SHA是美国国家安全局 （NSA） 设计，美国国家标准与技术研究院（NIST） 发布的，主要适用于数字签名标准（DigitalSignature Standard DSS）里面定义的数字签名算法（Digital Signature Algorithm DSA）。

RIPEMD（RACE Integrity Primitives Evaluation Message Digest，RACE原始完整性校验消息摘要），是Hans Dobbertin等3人在md4,md5的基础上，于1996年提出来的。

非对称加密算法

非对称加密算法也叫公钥密码算法，通过生成的公私钥来对明文密文进行加密解密。

非对称加密算法需要两个密钥：公开密钥（publickey）和私有密钥（privatekey）。公开密钥与私有密钥是一对，如果用公开密钥对数据进行加密，只有用对应的私有密钥才能解密；如果用私有密钥对数据进行加密，那么只有用对应的公开密钥才能解密。因为加密和解密使用的是两个不同的密钥，所以这种算法叫作非对称加密算法。

扩展阅读：同态加密

同态加密是一种加密形式，它允许人们对密文进行特定的代数运算得到仍然是加密的结果，将其解密所得到的结果与对明文进行同样的运算结果一样。换言之，这项技术令人们可以在加密的数据中进行诸如检索、比较等操作，得出正确的结果，而在整个处理过程中无需对数据进行解密。其意义在于，真正从根本上解决将数据及其操作委托给第三方时的保密问题，例如对于各种云计算的应用。

密钥,地址和钱包

比特币的所有权是通过数字密钥、比特币地址和数字签名来确立的。数字密钥实际上并不是存储在网络中，而是由用户生成并存储在一个文件或简单的数据库 中，称为钱包。存储在用户钱包中的数字密钥完全独立于比特币协议，可由用户的钱包软件生成并管理，而无需区块链或网络连接。密钥实现了比特币的许多有趣特性，包括去中心化信任和控制、所有权认证和基于密码学证明的安全模型。

比特币钱包只包含私钥而不是比特币。每一个用户有一个包含多个私钥的钱包。钱包中包含成对的私钥和公钥。用户用这些私钥来签名交易，从而证明它们拥有交易的输出（也就是其中的比特币）。比特币是以交易输出的形式来储存在区块链中（通常记为vout或txout）。

如果钱包只包含私钥，那么钱包地址是什么呢？钱包地址是从公钥的hash值的出来的，如下图所示：

1. 首先使用随机数发生器生成一个『私钥』。一般来说这是一个256bits的数，拥有了这串数字就可以对相应『钱包地址』中的比特币进行操作，所以必须被安全地保存起来。
2. 『私钥』经过SECP256K1算法处理生成了『公钥』。SECP256K1是一种椭圆曲线算法，通过一个已知『私钥』时可以算得『公钥』，而『公钥』已知时却无法反向计算出『私钥』。这是保障比特币安全的算法基础。
3. 同SHA256一样，RIPEMD160也是一种Hash算法，由『公钥』可以计算得到『公钥哈希』，而反过来是行不通的。
4. 将一个字节的地址版本号连接到『公钥哈希』头部（对于比特币网络的pubkey地址，这一字节为“0”），然后对其进行两次SHA256运算，将结果的前4字节作为『公钥哈希』的校验值，连接在其尾部。
5. 将上一步结果使用BASE58进行编码(比特币定制版本)，就得到了『钱包地址』。 比如,1A1zP1eP5QGefi2DMPTfTL5TTmv7DivfNa。

所以私钥，公钥和钱包地址的关系如下图所示：

大家看到钱包地址1A1zP1eP5QGefi2DMPTfTL5TTmv7DivfNa有什么想法呢？

肯定有人在想，这么一大长串字母和数字实在是太不好记忆了。能不能生产一个比较好记的钱包地址呢？ 比如MyNameIsHanMeiMei....这样开头的地址呢？

当然可以，这叫做靓号地址，只不过需要大量的算力才行。

比特币中的交易

简单来说，交易就是告知全网：比特币的持有者已授权把比特币转帐给其他人。而新持有者能够再次授权，转移给该比特币所有权链中的其他人。

注意， 在比特币的世界里既没有账户，也没有余额，只有分散到区块链里的UTXO（Unspent Transaction Outputs）。

怎么理解这个UTXO呢？没有账户也没有余额，那么钱包里面的金额是怎么计算出来的呢？

别急，让我们一一道来。

话说，在比特币中，比特币钱包间的转账是通过交易（Transaction）实现的。

我们看一个标准的交易流程。

那么问题来了，世界上第一个比特币是哪里来的呢？

答，是挖矿来的。好了，我们的001交易表示的就是一个挖矿的过程，在这个交易中，输入就是挖矿，输出编号1，BTC数目是50，目的地址是A，表示这50个BTC给A了。

接下来，A想发25个BTC给B，怎么构造这个交易呢？

同样的，我们需要一个输入，这个输入就是001交易的1号输出，我们用001.1来表示。输出分为两个，第一个输出编号1，表示要付25个BTC给B。第二个输出编号2，表示剩下的BTC要还给A。

大家可能会问了，输入是50BTC，两个输出加起来才45个BTC，好像还少了5个BTC？没错，这个5个BTC就是给矿工的挖矿所得。

接下来，A又继续转账给C，同样的道理，把一个一个的交易连接起来。

从上面的例子我们可以看到，实际上钱是存在一个一个的交易记录里面的，那些未被花费的输出，就叫做UTXO（Unspent Transaction Outputs）。

那么怎么保证转账给B的钱，不会被其他的人消费呢？这就涉及到交易的加密过程了。

我们以单个输入和输出为例来详细了解一下交易的构成：

上图中，交易的输入就是txid，也就是之前生成的还有未花费暑输出的交易ID。output index就是交易的输出id。

一个非常重要的ScriptSig是输入交易的验证，表明这个用户拥有这个账户的转账权限。

输出是一个脚本，只有满足脚本运行条件的人才能花费这个output。这也就是ScriptSig需要验证的脚本。

我们看下脚本是怎么做认证的吧。

比特币的标准输出形式有两种。Pay To Public Key Hash (P2PKH) 和 Pay To Script Hash (P2SH)。两者的区别在于，一个是输出到public key的hash,一个是输出到任意的一个脚本输出hash。

为了保证输出只能由特定的人来花费，一般的情况下是直接输出到对方的public key hash。由于只有对方拥有的私钥能够生成这个public key hash，也就是说只有对方才能够对这个输出进行验证。

但每次都需要知道对方的public key hash还是比较麻烦的，更简单的做法就是，发送者直接输出到一个特定的hash值就行了，只要对方能够生成这个hash就可以。

下面的例子是一个P2PKH的脚本形式。

P2PKH的输出是一个脚本，里面一个重要的值就是PK hash。

怎么验证呢？

验证方提供两个值，一个是sig，一个是PubKey。因为比特币的虚拟机是栈结构的，我们先把这两个值入栈。

然后调用OP_DUP对最上层的PubKey进行拷贝，然后调用OP_HASH160算法来计算Pk Hash，然后将发送方保存的Pk Hash入栈。接下来调用OP_EQUALVERIFY对两个PK Hash进行对比。

如果对比成功，最后一步就是验证Sig和PubKey是否匹配。

如果都成功，说明接收方的确是这个PK Hash的拥有者。那么对方就可以尽情使用了。

扩展阅读：图灵非完备性

和冯·诺伊曼同为现代计算机奠基人的阿兰·图灵（AlanTurin）在1950年提出了判定计算机能否像人那般实际“思考”的标准，也就是著名的“图灵检验”。

他设想一台超级计算机和一个人躲藏在幕后回答提问者的问题，而提问者则试图分辨哪个是人哪个是计算机。

图灵争辩说，假如计算机伪装得如此巧妙，以致没有人可以在实际上把它和一个真人分辨开来的话，那么我们就可以声称，这台计算机和人一样具备了思考能力，或者说，意识（他的原词是“智慧”）。

在可计算性理论里，如果一系列操作数据的规则（如指令集、编程语言、细胞自动机）按照一定的顺序可以计算出结果，被称为图灵完备（turing complete）。

比特币脚本语言不是图灵完备的，具有一定的局限性，它没有循环语句和复杂的条件控制语句。

总结

本文介绍了比特币的钱包和交易的概念，希望大家能够喜欢。

本文作者：flydean程序那些事

本文链接：http://www.flydean.com/bitcoin-transactions/

本文来源：flydean的博客

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