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在公鏈基礎上實現區塊鏈交易
區塊鏈的目的，是能夠安全可靠的存儲交易，比如我們常見的比特幣的交易，這里我們會以比特幣為例實現區塊鏈上的通用交易。上一節用簡單的數據結構完成了區塊鏈的公鏈，本節在此基礎上對區塊鏈的交易部分進行實現。實現公鏈
交易機制
在區塊鏈中，交易一旦被創建，就沒有任何人能夠再去修改或是刪除它，本節將實現一個交易的基本框架，具體交易細節將會在之后給出。
以比特幣為例，不同於一般概念的賬戶模型，其交易采用的是UTXO模型。我們所需要的信息，都間接的包含在了每一筆交易中，包括用戶的余額信息。
對於每一筆交易，你可以想象成一個通道，通道的左端有若干個輸入信息，通道的右端會有若干輸出信息。輸入信息代表的意義是，該交易所用的幣是從何而來，一條交易可以有0到多個幣源（0是特殊情況，即被挖出的礦，因為沒有用戶來源，所以沒有輸入信息）。輸出信息代表的意義是，進行該交易后，數字貨幣變動到哪里去了。因此，一條交易信息中貨幣的輸入數量與輸出數量應該是等價的，數字貨幣的來源總和，等於數字貨幣的輸出總和。不難想象，與傳統的賬戶模型相比，在UTXO模型中用戶的賬戶余額是記錄在交易的輸出部分。
舉個最簡單的例子，假設A需要給B支付了一個比特幣，將執行以下流程：
- 查看當前已有的交易信息，找到交易輸出指向自己的交易並將余額計入總和
- 判斷當前交易信息輸出中是否有足夠的數字貨幣屬於自己
- 當余額不足時，提示余額不足信息
- 當余額充足時，新建一條交易，即一個UTXO
- 該UTXO的輸入信息是消費用戶的部分余額（不需要消費用戶的所有余額，只要滿足夠用就行），而用戶的余額是記錄在之前已有的UTXO的輸出中，所以新交易的輸入，便是之前某些交易的輸出。
- 當用戶找到的余額數量與本次交易所需的數量不相等時，用戶可以將剩下的貨幣再向自己輸出，即找零，以保證交易的輸入與輸出相等
這樣我們就實現了一個簡單的交易，在這場交易中有貨幣的來源，貨幣有明確的去向，同時攜帶了我們正在進行的交易信息。
之后我們將結合代碼，讓這種邏輯變得更加清晰，下面這張圖是對UTXO模型的簡單描述：
Coinbase交易是特殊的一種交易，它表示礦工挖出了新的礦，作用是將新挖出的礦加入公鏈中並將輸出指向挖礦的礦工。
該例子表示，張三挖礦得到12.5個比特幣，然后支付了2.5個給李四，自己剩余10比特幣，之后張三李四各支付2.5個比特幣給王五，最終張三還剩7.5個比特幣，李四余額用盡，王五剩余5個比特幣，總和12.5等於張三挖出的總礦幣。
編碼實現
與之前已經完成的實現公鏈的代碼相比，區塊鏈的交易需要新建一個transaction.go文件，用來實現交易邏輯。其余文件中的代碼，會跟隨交易機制的加入進行微小的調整。
transaction.go
以下為transaction.go的代碼：
package main
import (
"bytes"
"crypto/sha256"
"encoding/gob"
"encoding/hex"
"fmt"
"log"
)
const subsidy = 10
// Transaction represents a Bitcoin transaction
type Transaction struct {
ID []byte
Vin []TXInput
Vout []TXOutput
}
// IsCoinbase checks whether the transaction is coinbase
func (tx Transaction) IsCoinbase() bool {
return len(tx.Vin) == 1 && len(tx.Vin[0].Txid) == 0 && tx.Vin[0].Vout == -1
}
// SetID sets ID of a transaction
func (tx *Transaction) SetID() {
var encoded bytes.Buffer
var hash [32]byte
enc := gob.NewEncoder(&encoded)
err := enc.Encode(tx)
if err != nil {
log.Panic(err)
}
hash = sha256.Sum256(encoded.Bytes())
tx.ID = hash[:]
}
// TXInput represents a transaction input
type TXInput struct {
Txid []byte
Vout int
ScriptSig string
}
// TXOutput represents a transaction output
type TXOutput struct {
Value int
ScriptPubKey string
}
// CanUnlockOutputWith checks whether the address initiated the transaction
func (in *TXInput) CanUnlockOutputWith(unlockingData string) bool {
return in.ScriptSig == unlockingData
}
// CanBeUnlockedWith checks if the output can be unlocked with the provided data
func (out *TXOutput) CanBeUnlockedWith(unlockingData string) bool {
return out.ScriptPubKey == unlockingData
}
// NewCoinbaseTX creates a new coinbase transaction
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
}
// NewUTXOTransaction creates a new transaction
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)
if err != nil {
log.Panic(err)
}
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
}
代碼主要包含以下內容：
- Transaction 結構體，包含當前交易的ID(交易需要ID)、輸入數組以及輸出數組
- IsCoinbase函數，用來判斷當前交易是否是Coinbase交易（挖礦交易）
- SetID函數給交易設置id
- TXInput 結構體，包含輸入的某條交易的id，該交易某個輸出的金額與地址
- TXOutput 結構體，包含當前交易的某個輸出的金額與地址
- CanUnlockOutputWith函數判斷提供的地址能否匹配某條交易記錄的輸入地址
- CanBeUnlockedWith函數判斷提供的地址能否匹配某條交易記錄的輸出地址
- NewCoinbaseTX函數創建一條挖礦交易
- NewUTXOTransaction函數創建一條新的交易
關於TXInput與TXOutput中地址的問題，因為目前還沒有實現區塊鏈中的地址，所以本節涉及的地址直接用字符串代替，驗證地址也只是進行了字符串對比。地址是必要的，它標注了當前的余額屬於誰，這里因為剛實現交易機制，還沒有引入真正的地址機制，所以是存在漏洞的，用戶只要知道有哪些用戶就可以直接往自己地址轉錢，在下一節會實現地址機制進行完善。
block.go
在transaction.go中實現了交易的結構體，如何創建一條新的交易，以及簡單的交易對象判斷。在其余文件中，block.go文件做了一些改動，主要是將原本的data字符串換成了Transaction交易。同樣的，下一節中我們會將本節的地址字符串換成相應機制的地址，以下是改動后的block.go文件：
package main
import (
"bytes"
"crypto/sha256"
"encoding/gob"
"log"
"time"
)
// Block keeps block headers
type Block struct {
Timestamp int64
Transactions []*Transaction
PrevBlockHash []byte
Hash []byte
Nonce int
}
// Serialize serializes the block
func (b *Block) Serialize() []byte {
var result bytes.Buffer
encoder := gob.NewEncoder(&result)
err := encoder.Encode(b)
if err != nil {
log.Panic(err)
}
return result.Bytes()
}
// HashTransactions returns a hash of the transactions in the block
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[:]
}
// NewBlock creates and returns Block
func NewBlock(transactions []*Transaction, prevBlockHash []byte) *Block {
block := &Block{time.Now().Unix(), transactions, prevBlockHash, []byte{}, 0}
pow := NewProofOfWork(block)
nonce, hash := pow.Run()
block.Hash = hash[:]
block.Nonce = nonce
return block
}
// NewGenesisBlock creates and returns genesis Block
func NewGenesisBlock(coinbase *Transaction) *Block {
return NewBlock([]*Transaction{coinbase}, []byte{})
}
// DeserializeBlock deserializes a block
func DeserializeBlock(d []byte) *Block {
var block Block
decoder := gob.NewDecoder(bytes.NewReader(d))
err := decoder.Decode(&block)
if err != nil {
log.Panic(err)
}
return &block
}
添加了HashTransactions函數，用來將交易轉換成哈希值，其余函數隨結構體中Data->Transactions的變動相應調整。
blockchain.go
在blockchain.go中，涉及到尋找用戶余額（未花費交易輸出）操作，需要多做一些調整：
package main
import (
"encoding/hex"
"fmt"
"log"
"os"
"bolt-master"
)
const dbFile = "blockchain.db"
const blocksBucket = "blocks"
const genesisCoinbaseData = "The Times 03/Jan/2009 Chancellor on brink of second bailout for banks"
// Blockchain implements interactions with a DB
type Blockchain struct {
tip []byte
db *bolt.DB
}
// BlockchainIterator is used to iterate over blockchain blocks
type BlockchainIterator struct {
currentHash []byte
db *bolt.DB
}
// MineBlock mines a new block with the provided transactions
func (bc *Blockchain) MineBlock(transactions []*Transaction) {
var lastHash []byte
err := bc.db.View(func(tx *bolt.Tx) error {
b := tx.Bucket([]byte(blocksBucket))
lastHash = b.Get([]byte("l"))
return nil
})
if err != nil {
log.Panic(err)
}
newBlock := NewBlock(transactions, lastHash)
err = bc.db.Update(func(tx *bolt.Tx) error {
b := tx.Bucket([]byte(blocksBucket))
err := b.Put(newBlock.Hash, newBlock.Serialize())
if err != nil {
log.Panic(err)
}
err = b.Put([]byte("l"), newBlock.Hash)
if err != nil {
log.Panic(err)
}
bc.tip = newBlock.Hash
return nil
})
}
// FindUnspentTransactions returns a list of transactions containing unspent outputs
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
}
// FindUTXO finds and returns all unspent transaction outputs
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
}
// FindSpendableOutputs finds and returns unspent outputs to reference in inputs
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
}
// Iterator returns a BlockchainIterat
func (bc *Blockchain) Iterator() *BlockchainIterator {
bci := &BlockchainIterator{bc.tip, bc.db}
return bci
}
// Next returns next block starting from the tip
func (i *BlockchainIterator) Next() *Block {
var block *Block
err := i.db.View(func(tx *bolt.Tx) error {
b := tx.Bucket([]byte(blocksBucket))
encodedBlock := b.Get(i.currentHash)
block = DeserializeBlock(encodedBlock)
return nil
})
if err != nil {
log.Panic(err)
}
i.currentHash = block.PrevBlockHash
return block
}
func dbExists() bool {
if _, err := os.Stat(dbFile); os.IsNotExist(err) {
return false
}
return true
}
// NewBlockchain creates a new Blockchain with genesis Block
func NewBlockchain(address string) *Blockchain {
if dbExists() == false {
fmt.Println("No existing blockchain found. Create one first.")
os.Exit(1)
}
var tip []byte
db, err := bolt.Open(dbFile, 0600, nil)
if err != nil {
log.Panic(err)
}
err = db.Update(func(tx *bolt.Tx) error {
b := tx.Bucket([]byte(blocksBucket))
tip = b.Get([]byte("l"))
return nil
})
if err != nil {
log.Panic(err)
}
bc := Blockchain{tip, db}
return &bc
}
// CreateBlockchain creates a new blockchain DB
func CreateBlockchain(address string) *Blockchain {
if dbExists() {
fmt.Println("Blockchain already exists.")
os.Exit(1)
}
var tip []byte
db, err := bolt.Open(dbFile, 0600, nil)
if err != nil {
log.Panic(err)
}
err = db.Update(func(tx *bolt.Tx) error {
cbtx := NewCoinbaseTX(address, genesisCoinbaseData)
genesis := NewGenesisBlock(cbtx)
b, err := tx.CreateBucket([]byte(blocksBucket))
if err != nil {
log.Panic(err)
}
err = b.Put(genesis.Hash, genesis.Serialize())
if err != nil {
log.Panic(err)
}
err = b.Put([]byte("l"), genesis.Hash)
if err != nil {
log.Panic(err)
}
tip = genesis.Hash
return nil
})
if err != nil {
log.Panic(err)
}
bc := Blockchain{tip, db}
return &bc
}
代碼的主要變動是新增了三個關於交易的函數：
- FindUnspendTransactions遍歷公鏈，尋找交易信息中沒有被使用過輸出的交易，即未被花費過的余額。當一條交易中的余額被其他交易用做過輸入，該余額也就不在具有余額的屬性，不能再次被交易
- FindUTXO在內部調用了FindUnspendTransactions函數，與FindUnspendTransactions不同的是它用於查詢用戶的余額信息，即所有有效未花費余額的總和
- FindSpendableOutputs在內部調用了FindUnspendTransactions函數，用於找出哪些余額是可用的
其次，原本的Addblock被改成了更具體的Mineblock挖礦函數，新增了Createblockchain函數和dbExists函數，用來判斷數據庫是否存在，只有當數據庫中沒有公鏈時才能創建新的區塊鏈。
proofofwork.go
在proofofwork文件中，僅在prepareData時將Data換成了HashTransactions，在挖礦時不再打印Data部分，proofofwork.go完整代碼如下：
package main
import (
"bytes"
"crypto/sha256"
"fmt"
"math"
"math/big"
)
var (
maxNonce = math.MaxInt64
)
const targetBits = 24
// ProofOfWork represents a proof-of-work
type ProofOfWork struct {
block *Block
target *big.Int
}
// NewProofOfWork builds and returns a ProofOfWork
func NewProofOfWork(b *Block) *ProofOfWork {
target := big.NewInt(1)
target.Lsh(target, uint(256-targetBits))
pow := &ProofOfWork{b, target}
return pow
}
func (pow *ProofOfWork) prepareData(nonce int) []byte {
data := bytes.Join(
[][]byte{
pow.block.PrevBlockHash,
pow.block.HashTransactions(),
IntToHex(pow.block.Timestamp),
IntToHex(int64(targetBits)),
IntToHex(int64(nonce)),
},
[]byte{},
)
return data
}
// Run performs a proof-of-work
func (pow *ProofOfWork) Run() (int, []byte) {
var hashInt big.Int
var hash [32]byte
nonce := 0
fmt.Printf("Mining a new block")
for nonce < maxNonce {
data := pow.prepareData(nonce)
hash = sha256.Sum256(data)
// fmt.Printf("\r%x", hash)
hashInt.SetBytes(hash[:])
if hashInt.Cmp(pow.target) == -1 {
break
} else {
nonce++
}
}
// fmt.Print("\n\n")
return nonce, hash[:]
}
// Validate validates block's PoW
func (pow *ProofOfWork) Validate() bool {
var hashInt big.Int
data := pow.prepareData(pow.block.Nonce)
hash := sha256.Sum256(data)
hashInt.SetBytes(hash[:])
isValid := hashInt.Cmp(pow.target) == -1
return isValid
}
cli.go
cli.go文件隨底層的一些變動，做出相應的業務邏輯改變，變動主要用於實現命令行操作，不涉及區塊鏈的邏輯：
package main
import (
"flag"
"fmt"
"log"
"os"
"strconv"
)
// CLI responsible for processing command line arguments
type CLI struct{}
func (cli *CLI) createBlockchain(address string) {
bc := CreateBlockchain(address)
bc.db.Close()
fmt.Println("Done!")
}
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\n", address, balance)
}
func (cli *CLI) printUsage() {
fmt.Println("Usage:")
fmt.Println(" getbalance -address ADDRESS - Get balance of ADDRESS")
fmt.Println(" createblockchain -address ADDRESS - Create a blockchain and send genesis block reward to ADDRESS")
fmt.Println(" printchain - Print all the blocks of the blockchain")
fmt.Println(" send -from FROM -to TO -amount AMOUNT - Send AMOUNT of coins from FROM address to TO")
}
func (cli *CLI) validateArgs() {
if len(os.Args) < 2 {
cli.printUsage()
os.Exit(1)
}
}
func (cli *CLI) printChain() {
// TODO: Fix this
bc := NewBlockchain("")
defer bc.db.Close()
bci := bc.Iterator()
for {
block := bci.Next()
fmt.Printf("Prev. hash: %x\n", block.PrevBlockHash)
fmt.Printf("Hash: %x\n", block.Hash)
pow := NewProofOfWork(block)
fmt.Printf("PoW: %s\n", strconv.FormatBool(pow.Validate()))
fmt.Println()
if len(block.PrevBlockHash) == 0 {
break
}
}
}
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!")
}
// Run parses command line arguments and processes commands
func (cli *CLI) Run() {
cli.validateArgs()
getBalanceCmd := flag.NewFlagSet("getbalance", flag.ExitOnError)
createBlockchainCmd := flag.NewFlagSet("createblockchain", flag.ExitOnError)
sendCmd := flag.NewFlagSet("send", flag.ExitOnError)
printChainCmd := flag.NewFlagSet("printchain", flag.ExitOnError)
getBalanceAddress := getBalanceCmd.String("address", "", "The address to get balance for")
createBlockchainAddress := createBlockchainCmd.String("address", "", "The address to send genesis block reward to")
sendFrom := sendCmd.String("from", "", "Source wallet address")
sendTo := sendCmd.String("to", "", "Destination wallet address")
sendAmount := sendCmd.Int("amount", 0, "Amount to send")
switch os.Args[1] {
case "getbalance":
err := getBalanceCmd.Parse(os.Args[2:])
if err != nil {
log.Panic(err)
}
case "createblockchain":
err := createBlockchainCmd.Parse(os.Args[2:])
if err != nil {
log.Panic(err)
}
case "printchain":
err := printChainCmd.Parse(os.Args[2:])
if err != nil {
log.Panic(err)
}
case "send":
err := sendCmd.Parse(os.Args[2:])
if err != nil {
log.Panic(err)
}
default:
cli.printUsage()
os.Exit(1)
}
if getBalanceCmd.Parsed() {
if *getBalanceAddress == "" {
getBalanceCmd.Usage()
os.Exit(1)
}
cli.getBalance(*getBalanceAddress)
}
if createBlockchainCmd.Parsed() {
if *createBlockchainAddress == "" {
createBlockchainCmd.Usage()
os.Exit(1)
}
cli.createBlockchain(*createBlockchainAddress)
}
if printChainCmd.Parsed() {
cli.printChain()
}
if sendCmd.Parsed() {
if *sendFrom == "" || *sendTo == "" || *sendAmount <= 0 {
sendCmd.Usage()
os.Exit(1)
}
cli.send(*sendFrom, *sendTo, *sendAmount)
}
}
main.go
在main.go中，我們將所有的操作有交給cli對象進行，原本舊main.go中的新建創世塊操作，也放到了cli.go的邏輯中，所以只需要以下代碼：
package main
func main() {
bc := NewBlockchain()
defer bc.db.Close()
cli := CLI{bc}
cli.Run()
}
utils.go
沒有新的工具函數引入，utils.go文件不變。