用 Go 构建一个区块链 -- Part 4: 交易（1）

摘要：引言交易是比特币的核心所在，而区块链的唯一目的，也正是为了能够安全可靠地存储交易。比特币使用了一个更加复杂的技术它将一个块里面包含的所有交易表示为一个，然后在工作量证明系统中使用树的根哈希。

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。

交易（transaction）是比特币的核心所在，而区块链的唯一目的，也正是为了能够安全可靠地存储交易。在区块链中，交易一旦被创建，就没有任何人能够再去修改或是删除它。在今天的文章中，我们将会开始实现交易这个部分。不过，由于交易是很大的话题，我会把它分为两部分来讲：在今天这个部分，我们会实现交易的通用机制。在第二部分，我们会继续讨论它的一些细节。

此外，由于代码实现变化很大，就不在文章中罗列所有代码了，这里 可以看到所有的改动。

如果以前开发过 web 应用，在支付的实现环节，你可能会在数据库中创建这样两张表：

accounts

transactions

account（账户）会存储用户信息，里面包括了个人信息和余额。transaction（交易）会存储资金转移信息，也就是资金从一个账户转移到另一个账户这样的内容。在比特币中，支付是另外一种完全不同的方式：

没有账户（account）

没有余额（balance）

没有住址（address）

没有货币（coin）

没有发送人和接收人（sender，receiver）（这里所说的发送人和接收人是基于目前现实生活场景，交易双方与人是一一对应的。而在比特币中，“交易双方”是地址，地址背后才是人，人与地址并不是一一对应的关系，一个人可能有很多个地址。）

鉴于区块链是一个公开开放的数据库，所以我们并不想要存储钱包所有者的敏感信息（所以具有一定的匿名性）。资金不是通过账户来收集，交易也不是从一个地址将钱转移到另一个地址，也没有一个字段或者属性来保存账户余额。交易就是区块链要表达的所有内容。那么，交易里面到底有什么内容呢？

一笔交易由一些输入（input）和输出（output）组合而来：

type Transaction struct {
    ID   []byte
    Vin  []TXInput
    Vout []TXOutput
}

对于每一笔新的交易，它的输入会引用（reference）之前一笔交易的输出（这里有个例外，也就是我们待会儿要谈到的 coinbase 交易）。所谓引用之前的一个输出，也就是将之前的一个输出包含在另一笔交易的输入当中。交易的输出，也就是币实际存储的地方。下面的图示阐释了交易之间的互相关联：

注意：

有一些输出并没有被关联到某个输入上

一笔交易的输入可以引用之前多笔交易的输出

一个输入必须引用一个输出

贯穿本文，我们将会使用像“钱（money）”，“币（coin）”，“花费（spend）”，“发送（send）”，“账户（account）” 等等这样的词。但是在比特币中，实际并不存在这样的概念。交易仅仅是通过一个脚本（script）来锁定（lock）一些价值（value），而这些价值只可以被锁定它们的人解锁（unlock）。

让我们先从输出（output）开始：

type TXOutput struct {
    Value        int
    ScriptPubKey string
}

实际上，正是输出里面存储了“币”（注意，也就是上面的 Value 字段）。而这里的存储，指的是用一个数学难题对输出进行锁定，这个难题被存储在 ScriptPubKey 里面。在内部，比特币使用了一个叫做 Script 的脚本语言，用它来定义锁定和解锁输出的逻辑。虽然这个语言相当的原始（这是为了避免潜在的黑客攻击和滥用而有意为之），并不复杂，但是我们并不会在这里讨论它的细节。你可以在这里 找到详细解释。

在比特币中，value 字段存储的是 satoshi 的数量，而不是>有 BTC 的数量。一个 satoshi 等于一百万分之一的 >BTC(0.00000001 BTC)，这也是比特币里面最小的货币单位>（就像是 1 分的硬币）。

由于还没有实现地址（address），所以目前我们会避免涉及逻辑相关的完整脚本。ScriptPubKey 将会存储一个任意的字符串（用户定义的钱包地址）。

顺便说一下，有了一个这样的脚本语言，也意味着比特币其实也可以作为一个智能合约平台。

关于输出，非常重要的一点是：它们是不可再分的（invisible），这也就是说，你无法仅引用它的其中某一部分。要么不用，如果要用，必须一次性用完。当一个新的交易中引用了某个输出，那么这个输出必须被全部花费。如果它的值比需要的值大，那么就会产生一个找零，找零会返还给发送方。这跟现实世界的场景十分类似，当你想要支付的时候，如果一个东西值 1 美元，而你给了一个 5 美元的纸币，那么你会得到一个 4 美元的找零。

这里是输入：

type TXInput struct {
    Txid      []byte
    Vout      int
    ScriptSig string
}

正如之前所提到的，一个输入引用了之前一笔交易的一个输出：Txid 存储的是这笔交易的 ID，Vout 存储的是该输出在这笔交易中所有输出的索引（因为一笔交易可能有多个输出，需要有信息指明是具体的哪一个）。ScriptSig 是一个脚本，提供了可作用于一个输出的 ScriptPubKey 的数据。如果 ScriptSig 提供的数据是正确的，那么输出就会被解锁，然后被解锁的值就可以被用于产生新的输出；如果数据不正确，输出就无法被引用在输入中，或者说，也就是无法使用这个输出。这种机制，保证了用户无法花费属于其他人的币。

再次强调，由于我们还没有实现地址，所以 ScriptSig 将仅仅存储一个任意用户定义的钱包地址。我们会在下一篇文章中实现公钥（public key）和签名（signature）。

来简要总结一下。输出，就是 “币” 存储的地方。每个输出都会带有一个解锁脚本，这个脚本定义了解锁该输出的逻辑。每笔新的交易，必须至少有一个输入和输出。一个输入引用了之前一笔交易的输出，并提供了数据（也就是 ScriptSig 字段），该数据会被用在输出的解锁脚本中解锁输出，解锁完成后即可使用它的值去产生新的输出。

也就是说，每一笔输入都是之前一笔交易的输出，那么从一笔交易开始不断往前追溯，它涉及的输入和输出到底是谁先存在呢？换个说法，这是个鸡和蛋谁先谁后的问题，是先有蛋还是先有鸡呢？

在比特币中，是先有蛋，然后才有鸡。输入引用输出的逻辑，是经典的“蛋还是鸡”问题：输入先产生输出，然后输出使得输入成为可能。在比特币中，最先有输出，然后才有输入。换而言之，第一笔交易只有输出，没有输入。

当矿工挖出一个新的块时，它会向新的块中添加一个 coinbase 交易。coinbase 交易是一种特殊的交易，它不需要引用之前一笔交易的输出。它“凭空”产生了币（也就是产生了新币），这也是矿工获得挖出新块的奖励，可以理解为“发行新币”。

在区块链的最初，也就是第一个块，叫做创世块。正是这个创世块，产生了区块链最开始的输出。对于创世块，不需要引用之前交易的输出。因为在创世块之前根本不存在交易，也就没有不存在有交易输出。

来创建一个 coinbase 交易：

func NewCoinbaseTX(to, data string) *Transaction {
    if data == "" {
        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
}

coinbase 交易只有一个输出，没有输入。在我们的实现中，它的 Txid 为空，Vout 等于 -1。并且，在目前的视线中，coinbase 交易也没有在 ScriptSig 中存储一个脚本，而只是存储了一个任意的字符串。

在比特币中，第一笔 coinbase 交易包含了如下信息：“The Times 03/Jan/2009 Chancellor on brink of second bailout for banks”。可点击这里查看.

subsidy 是奖励的数额。在比特币中，实际并没有存储这个数字，而是基于区块总数进行计算而得：区块总数除以 210000 就是 subsidy。挖出创世块的奖励是 50 BTC，每挖出 210000 个块后，奖励减半。在我们的实现中，这个奖励值将会是一个常量（至少目前是）。

从现在开始，每个块必须存储至少一笔交易。如果没有交易，也就不可能挖出新的块。这意味着我们应该移除 Block 的 Data 字段，取而代之的是存储交易：

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

NewBlock 和 NewGenesisBlock 也必须做出相应改变：

func NewBlock(transactions []*Transaction, prevBlockHash []byte) *Block {
    block := &Block{time.Now().Unix(), transactions, prevBlockHash, []byte{}, 0}
    ...
}

func NewGenesisBlock(coinbase *Transaction) *Block {
    return NewBlock([]*Transaction{coinbase}, []byte{})
}

接下来修改创建新链的函数：

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

        b, err := tx.CreateBucket([]byte(blocksBucket))
        err = b.Put(genesis.Hash, genesis.Serialize())
        ...
    })
    ...
}

现在，这个函数会接受一个地址作为参数，这个地址会用来接收挖出创世块的奖励。

工作量证明算法必须要将存储在区块里面的交易考虑进去，以此保证区块链交易存储的一致性和可靠性。所以，我们必须修改 ProofOfWork.prepareData 方法：

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

    return data
}

不像之前使用 pow.block.Data，现在我们使用 pow.block.HashTransactions() ：

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[:]
}

我们使用哈希提供数据的唯一表示，这个之前也遇到过。我们想要通过仅仅一个哈希，就可以识别一个块里面的所有交易。为此，我们获得每笔交易的哈希，将它们关联起来，然后获得一个连接后的组合哈希。

比特币使用了一个更加复杂的技术：它将一个块里面包含的所有交易表示为一个  Merkle tree ，然后在工作量证明系统中使用树的根哈希（root hash）。这个方法能够让我们快速检索一个块里面是否包含了某笔交易，即只需 root hash 而无需下载所有交易即可完成判断。

来检查一下到目前为止是否正确：

$ blockchain_go createblockchain -address Ivan
00000093450837f8b52b78c25f8163bb6137caf43ff4d9a01d1b731fa8ddcc8a

Done!

很好！我们已经获得了第一笔挖矿奖励，但是，我们要如何查看余额呢？

我们需要找到所有的未花费交易输出（unspent transactions outputs, UTXO）。未花费（unspent） 指的是这个输出还没有被包含在任何交易的输入中，或者说没有被任何输入引用。在上面的图示中，未花费的输出是：

tx0, output 1;

tx1, output 0;

tx3, output 0;

tx4, output 0.

当然了，当我们检查余额时，我们并不需要知道整个区块链上所有的 UTXO，只需要关注那些我们能够解锁的那些 UTXO（目前我们还没有实现密钥，所以我们将会使用用户定义的地址来代替）。首先，让我们定义在输入和输出上的锁定和解锁方法：

func (in *TXInput) CanUnlockOutputWith(unlockingData string) bool {
    return in.ScriptSig == unlockingData
}

func (out *TXOutput) CanBeUnlockedWith(unlockingData string) bool {
    return out.ScriptPubKey == unlockingData
}

在这里，我们只是将 script 字段与 unlockingData 进行了比较。在后续文章我们基于私钥实现了地址以后，会对这部分进行改进。

下一步，找到包含未花费输出的交易，这一步相当困难：

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
}

由于交易被存储在区块里，所以我们不得不检查区块链里的每一笔交易。从输出开始：

if out.CanBeUnlockedWith(address) {
    unspentTXs = append(unspentTXs, tx)
}

如果一个输出被一个地址锁定，并且这个地址恰好是我们要找的未花费交易输出的地址，那么这个输出就是我们想要的。不过在获取它之前，我们需要检查该输出是否已经被包含在一个输入中，也就是检查它是否已经被花费了：

if spentTXOs[txID] != nil {
    for _, spentOut := range spentTXOs[txID] {
        if spentOut == outIdx {
            continue Outputs
        }
    }
}

我们跳过那些已经被包含在其他输入中的输出（被包含在输入中，也就是说明这个输出已经被花费，无法再用了）。检查完输出以后，我们将所有能够解锁给定地址锁定的输出的输入聚集起来（这并不适用于 coinbase 交易，因为它们不解锁输出）：

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)
        }
    }
}

这个函数返回了一个交易列表，里面包含了未花费输出。为了计算余额，我们还需要一个函数将这些交易作为输入，然后仅返回一个输出：

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
}

就是这么多了！现在我们来实现 getbalance 命令：

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
", address, balance)
}

账户余额就是由账户地址锁定的所有未花费交易输出的总和。

在挖出创世块以后，来检查一下我们的余额：

$ blockchain_go getbalance -address Ivan
Balance of "Ivan": 10

这就是我们的第一笔钱！

现在，我们想要给其他人发送一些币。为此，我们需要创建一笔新的交易，将它放到一个块里，然后挖出这个块。之前我们只实现了 coinbase 交易（这是一种特殊的交易），现在我们需要一种通用的交易：

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)

        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
}

在创建新的输出前，我们首先必须找到所有的未花费输出，并且确保它们存储了足够的值（value），这就是 FindSpendableOutputs 方法做的事情。随后，对于每个找到的输出，会创建一个引用该输出的输入。接下来，我们创建两个输出：

一个由接收者地址锁定。这是给实际给其他地址转移的币。

一个由发送者地址锁定。这是一个找零。只有当未花费输出超过新交易所需时产生。记住：输出是不可再分的。

FindSpendableOutputs 方法基于之前定义的 FindUnspentTransactions 方法：

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
}

这个方法对所有的未花费交易进行迭代，并对它的值进行累加。当累加值大于或等于我们想要传送的值时，它就会停止并返回累加值，同时返回的还有通过交易 ID 进行分组的输出索引。我们并不想要取出超出需要花费的钱。

现在，我们可以修改 Blockchain.MineBlock 方法：

func (bc *Blockchain) MineBlock(transactions []*Transaction) {
    ...
    newBlock := NewBlock(transactions, lastHash)
    ...
}

最后，让我们来实现 send 方法：

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!")
}

发送币意味着创建新的交易，并通过挖出新块的方式将交易打包到区块链中。不过，比特币并不是一连串立刻完成这些事情（不过我们的实现是这么做的）。相反，它会将所有新的交易放到一个内存池中（mempool），然后当一个矿工准备挖出一个新块时，它就从内存池中取出所有的交易，创建一个候选块。只有当包含这些交易的块被挖出来，并添加到区块链以后，里面的交易才开始确认。

让我们来检查一下发送币是否能工作：

$ blockchain_go send -from Ivan -to Pedro -amount 6
00000001b56d60f86f72ab2a59fadb197d767b97d4873732be505e0a65cc1e37

Success!

$ blockchain_go getbalance -address Ivan
Balance of "Ivan": 4

$ blockchain_go getbalance -address Pedro
Balance of "Pedro": 6

很好！现在，让我们创建更多的交易，确保从多个输出中发送币也正常工作：

$ blockchain_go send -from Pedro -to Helen -amount 2
00000099938725eb2c7730844b3cd40209d46bce2c2af9d87c2b7611fe9d5bdf

Success!

$ blockchain_go send -from Ivan -to Helen -amount 2
000000a2edf94334b1d94f98d22d7e4c973261660397dc7340464f7959a7a9aa

Success!

现在，Helen 的币被锁定在了两个输出中：一个来自 Pedro，一个来自 Ivan。让我们把它们发送给其他人：

$ blockchain_go send -from Helen -to Rachel -amount 3
000000c58136cffa669e767b8f881d16e2ede3974d71df43058baaf8c069f1a0

Success!

$ blockchain_go getbalance -address Ivan
Balance of "Ivan": 2

$ blockchain_go getbalance -address Pedro
Balance of "Pedro": 4

$ blockchain_go getbalance -address Helen
Balance of "Helen": 1

$ blockchain_go getbalance -address Rachel
Balance of "Rachel": 3

看起来没问题！现在，来测试一些失败的情况：

$ blockchain_go send -from Pedro -to Ivan -amount 5
panic: ERROR: Not enough funds

$ blockchain_go getbalance -address Pedro
Balance of "Pedro": 4

$ blockchain_go getbalance -address Ivan
Balance of "Ivan": 2

虽然不容易，但是现在终于实现交易了！不过，我们依然缺少了一些像比特币那样的一些关键特性：

地址（address）。我们还没有基于私钥（private key）的真实地址。

奖励（reward）。现在挖矿是肯定无法盈利的！

UTXO 集。获取余额需要扫描整个区块链，而当区块非常多的时候，这么做就会花费很长时间。并且，如果我们想要验证后续交易，也需要花费很长时间。而 UTXO 集就是为了解决这些问题，加快交易相关的操作。

内存池（mempool）。在交易被打包到块之前，这些交易被存储在内存池里面。在我们目前的实现中，一个块仅仅包含一笔交易，这是相当低效的。

链接:

Full source codes

Transaction

Merkle tree

Coinbase

本文源代码：part_4

原文链接：Building Blockchain in Go. Part 4: Transactions 1