开源 Bitcoin P2P电子货币系统背后的技术（二）

转载：http://www.showmuch.com/article/article_117.html

Bitcoin 电子货币系统的核心功能是面对面（点对点）支付，就像真实货币一样，无需中间人，几乎不需要交易费。它背后的技术实现是很巧妙的通过将造币(Mint)，交易(transaction，这里提到的交易都是特指的支付)，交易验证(transaction verifiction)交织在一起，形成一个完美的圆。所以要想把它的机理理解清楚，就必须同时理解bitcoin的电子货币，交易，造币的确切含义。

首先从电子货币谈起。

电子货币和交易单(Transaction)

Bitcoin电子货币解决的是：

1. 任意造币的问题：通过“挖矿”机制保证了不能任意造币。
2. 重复花钱的问题(Double-Spending)：利用P2P网络，通过HashCash的机制。

事实上Bitcoin系统中不存在独立的电子货币，货币值是依附于交易单存在的，所以在bitcoin中的电子货币的实质就是交易单，确切的说是货币交易（Transactions）的 数字签名链，它的数字签名算法使用的是ECDSA（椭圆曲线数字签名算法 secp256k1曲线）进行签名的。交易单的数据如下：

In:
Previous tx: f5d8ee39a430901c91a5917b9f2dc19d6d1a0e9cea205b009ca73dd0
4470b9a6
Index: 0
scriptSig: 304502206e21798a42fae0e854281abd38bacd1aeed3ee3738d9e1446
618c4571d1090db022100e2ac980643b0b82c0e88ffdfec6b64e3e6ba35e7ba5fd
d7d5d6cc8d25c6b241501

Out:
Value: 5000000000
scriptPubKey: OP_DUP OP_HASH160 404371705fa9bd789a2fcd52d2c580b65d35
549d OP_EQUALVERIFY OP_CHECKSIG

交易单记录的是本次交易的收入来源(in)和支出(out)。当你支出（给）一笔钱的时候，首先在交易单中就要描述清楚你要支出(out)的钱的收入来源(in)，然后在支出(out)项中，指明要支出的金额，以及通过脚本的形式写明接收者的公钥，然后用自己的私钥签名(scriptSig)认可该笔交易，最后将交易单广播到网络。

收入来源(in):

• Previous tx: 为收入来源交易单的散列值，也就是待支付的钱是谁给你的，经常会有多个收入来源被列在交易单中
• index: 指明是收入来源交易单中具体哪一个out，也就是Previous tx交易单中的out索引值（因为out也可以有多个）。
• scriptSig: 拥有者对该交易的ECDSA签名认可。

接收对象(out):

• Value: 发送的币值，以Satoshi 为单位，1BTC = 100,000,000 Satoshi
• scriptPubKey: 接收方的公钥脚本。

in与out的关系：

• 每一笔交易，out的总额应该等于in的总额。但是，在这个交易单里，只会有out的Value，没有in的Value，而是通过in的Pervious与index，追溯到上一个交易单的某一个out，获得Value。
• 一次send bitcoin，剩下的钱，应该out给自己，否则这个钱就丢了。

情况列举：

• 我有10个BTC，是某一次交易获得的，我要送给朋友A，10个BTC。这时候，有一个in，一个out。
• 我有10个BTC，是某一次交易获得的，我要送给朋友A，5个BTC，这时候，有一个in，两个out，一个指向朋友5个BTC，一个指向我自己，得到剩下的5个BTC。
• 我有10个BTC，是以前的两次交易获得的，我要送给朋友A，10个BTC，这时候，有两个in，一个out。
• 我有10个BTC，是以前的两次交易获得的，其中一次获得了6个BTC，另一次获得了4个BTC，我要送给我的朋友7个BTC，这时候，有两个in，两个out。

• // An input of a transaction.  It contains the location of the previous
  // transaction's output that it claims and a signature that matches the
  // output's public key.
  //
  class CTxIn
  {
  public:
      COutPoint prevout;
      CScript scriptSig;
      unsigned int nSequence;
      ....
  }
   
  //
  // An output of a transaction.  It contains the public key that the next input
  // must be able to sign with to claim it.
  //
  class CTxOut
  {
  public:
      int64 nValue;
      CScript scriptPubKey;
      ....
  }
   
  //
  // The basic transaction that is broadcasted on the network and contained in
  // blocks.  A transaction can contain multiple inputs and outputs.
  //
  class CTransaction
  {
  public:
      int nVersion;
      std::vector<CTxIn> vin;
      std::vector<CTxOut> vout;
      unsigned int nLockTime;
   
      ....

   
• 每一笔交易单验证追查到最后，第一笔总是“挖矿”所得，这被称为coinbase。如果是第一次“挖矿”所得，电子货币的内容用JSON格式表示如下：

• {
    "hash":"b3141455cb397e42665b90b3726c4770fd36101715618718111403bc780ceaa2",
    "ver":1,
    "vin_sz":1,
    "vout_sz":1,
    "lock_time":0,
    "size":135,
    "in":[
      {
        "prev_out":{
          "hash":"0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000",
          "n":4294967295
        },
        "coinbase":"042194261a02f200"
      }
    ],
    "out":[
      {
        "value":"50.01000000",
        "scriptPubKey":"0452d1a02ffeacfc0c78fcf2ceeaf04d5416c15af1c65da13d9cdaa56844c825c1aa2f540e9439bf38a43419002d8441eea627cb56d6ed51e7848da5c3f6eee6ec OP_CHECKSIG"
      }
    ]
  }

   每一笔交易都会向整个P2P网络广播该货币的交易记录。通过投票机制，来决定该支付交易是否正常。如节点认为该交易记录是正常的那么就通过CPU计算POW(Proof-of-Work),然后广播，其它节点收到这个POW可以继续投票，形成Block 链（见挖矿）。如果节点收到不一致的两个交易记录，那么只信任链最长的。如果一笔Bitcoin被支出两次的情况广播出来，那么某些节点将先看到它第一次发生的支付交易，其他节点则看到的是它第二次发生的支付交易。究竟是哪一个支付交易“赢”了，则是由恰好创建了下一个block的那个节点来决定 —— 无论是哪个节点找到了“小的散列值”， 它的block中包含的那个支付交易被判断为有效的，其他的支付交易被视为无效。