最近在和同事交流我們PalletOne中對UTXO和簽名的處理,有些心得,寫下此博文。對比特幣有點基本概念的都知道,比特幣是通過ECDSA數字簽名來解鎖UTXO中的未花費餘額。
關於UTXO我不需要做太多介紹,畢竟介紹這個概念的文章已經很多了。我主要是談談已經有UTXO了,該怎麼花掉。
交易的結構
我們先來看看在比特幣中,一個交易的結構是什麼樣的?
type MsgTx struct {Version int32 TxIn []</span>*<span style="color: #000000;">TxIn TxOut []</span>*<span style="color: #000000;">TxOut LockTime uint32
}
type TxOut struct {
Value int64
PkScript []</span><span style="color: #0000ff;">byte</span><span style="color: #000000;">
}
type TxIn struct {
PreviousOutPoint OutPoint
SignatureScript []</span><span style="color: #0000ff;">byte</span><span style="color: #000000;">
Sequence uint32
}
type OutPoint struct {
Hash chainhash.Hash
Index uint32
}
我們可以看到,一個交易(MsgTx)是由多個Input和多個Output組成的,而在Input中是由指向UTXO的OutPoint,解鎖腳本SignatureScript和序列Sequence組成。
UTXO我們可以認爲是一個KeyValue的大表,在該表中,交易的Hash和該交易中Output所在的位置索引Index就構成了UTXO的Key,而Value就是比特幣Amount、鎖定腳本等信息,所以在UTXO數據庫中,我們通過OutPoint能夠很快的找到對應的Amount和鎖定腳本。
在比特幣中,要做一筆交易分爲三個步驟:
- 構建原始交易RawTransaction,該交易包含了輸入指向的OutPoint,也包含了完整的Output,但是沒有簽名,也就是沒有設置SignatureScript的內容。
- 用私鑰對簽名構建的RawTransaction進行簽名,並將簽名構建成完整的解鎖腳本,填入對應的Input的SignatureScript字段中。
- 將簽名後的Transaction發送到P2P網絡中。
構建原始交易RawTransaction
現在假設我有一個地址mx3KrUjRzzqYTcsyyvWBiHBncLrrTPXnkV(這是一個測試網地址),該地址收到了兩筆轉賬,一筆0.4BTC(https://testnet.blockchain.info/tx-index/239152566/1),另一筆1.1BTC(https://testnet.blockchain.info/tx-index/239157459/1),這兩筆收入都是在其交易Output的第二條,也就是Index=1(Index從0開始算)。現在我們想要做一筆1.2BTC的轉賬,然後給一定的手續費後,找零到原地址,所以我們會構建一筆交易,該交易有2Input和2Output。
以下是我用Go基於btcd寫的示例代碼,這裏我們就構建好了一個RawTransaction。
func buildRawTx() *wire.MsgTx {
//https://testnet.blockchain.info/tx/f0d9d482eb122535e32a3ae92809dd87839e63410d5fd52816fc9fc6215018cc?show_adv=true
tx := wire.NewMsgTx(wire.TxVersion)
//https://testnet.blockchain.info/tx-index/239152566/1 0.4BTC
utxoHash, _ := chainhash.NewHashFromStr(“1dda832890f85288fec616ef1f4113c0c86b7bf36b560ea244fd8a6ed12ada52”)
point := wire.OutPoint{Hash: *utxoHash, Index: 1}
//構建第一個Input,指向一個0.4BTC的UTXO,第二個參數是解鎖腳本,現在是nil
tx.AddTxIn(wire.NewTxIn(&point, nil, nil))
//https://testnet.blockchain.info/tx-index/239157459/1 1.1BTC
utxoHash2, _ := chainhash.NewHashFromStr(“24f284aed2b9dbc19f0d435b1fe1ee3b3ddc763f28ca28bad798d22b6bea0c66”)
point2 := wire.OutPoint{Hash: *utxoHash2, Index: 1}
//構建第二個Input,指向一個1.1BTC的UTXO,第二個參數是解鎖腳本,現在是nil
tx.AddTxIn(wire.NewTxIn(&point2, nil, nil))
//找零的地址(這裏是16進制形式,變成Base58格式就是mx3KrUjRzzqYTcsyyvWBiHBncLrrTPXnkV)
pubKeyHash, _ := hex.DecodeString(“b5407cec767317d41442aab35bad2712626e17ca”)
lock, _ := txscript.NewScriptBuilder().AddOp(txscript.OP_DUP).AddOp(txscript.OP_HASH160).
AddData(pubKeyHash).AddOp(txscript.OP_EQUALVERIFY).AddOp(txscript.OP_CHECKSIG).
Script()
//構建第一個Output,是找零0.2991024 BTC
tx.AddTxOut(wire.NewTxOut(29910240, lock))
//支付給了某個地址,仍然是16進制形式,Base58形式是:mxqnGTekzKqnMqNFHKYi8FhV99WcvQGhfH。
pubKeyHash2, _ := hex.DecodeString(“be09abcbfda1f2c26899f062979ab0708731235a”)
lock2, _ := txscript.NewScriptBuilder().AddOp(txscript.OP_DUP).AddOp(txscript.OP_HASH160).
AddData(pubKeyHash2).AddOp(txscript.OP_EQUALVERIFY).AddOp(txscript.OP_CHECKSIG).
Script()
//構建第二個Output,支付1.2 BTC出去
tx.AddTxOut(wire.NewTxOut(120000000, lock2))
return tx
}
交易的簽名過程
現在我們知道私鑰,需要對該交易進行簽名,因爲有2個Input,所以我們要簽名2次,每個簽名的原理是一樣的,我就以第一個Input爲例來說明吧。
在比特幣中,對一筆交易的簽名流程是這樣的:
1.查找該筆交易對應的UTXO
2.獲得該UTXO對應的鎖定腳本
3.複製該交易對象,並在複製副本中將該Input的解鎖腳本字段的值設置爲對應的鎖定腳本
4.清除其他Input的解鎖腳本字段
5.對這個改造後的交易對象計算Hash
6.使用私鑰對Hash進行簽名。
用表格的形式可以更容易表達:
這是原始未簽名的交易RawTransaction,主要是第二列和第三列:
UTXO | Input | Output |
TxHash:1dda832890f85288fec616ef1f4113c0c86b7bf36b560ea244fd8a6ed12ada52, OutIndex:1, Amount:0.4BTC,PkScript: OP_DUP OP_HASH160 PUSHDATA(20)b5407cec767317d41442aab35bad2712626e17ca OP_EQUALVERIFY OP_CHECKSIG |
PreviousOutPoint={
TxHash:1dda832890f85288fec616ef1f4113c0c86b7bf36b560ea244fd8a6ed12ada52, OutIndex:1} SignatureScript =NULL,Sequence =0xFFFFFFFF |
Value=29910240 PkScript= OP_DUP OP_HASH160 PUSHDATA(20)b5407cec767317d41442aab35bad2712626e17ca OP_EQUALVERIFY OP_CHECKSIG |
TxHash:24f284aed2b9dbc19f0d435b1fe1ee3b3ddc763f28ca28bad798d22b6bea0c66, OutIndex:1, Amount:1.1BTC,PkScript: OP_DUP OP_HASH160 PUSHDATA(20)b5407cec767317d41442aab35bad2712626e17ca OP_EQUALVERIFY OP_CHECKSIG |
PreviousOutPoint={
TxHash:24f284aed2b9dbc19f0d435b1fe1ee3b3ddc763f28ca28bad798d22b6bea0c66, OutIndex:1} SignatureScript =NULL,Sequence =0xFFFFFFFF |
Value=120000000 PkScript= OP_DUP OP_HASH160 PUSHDATA(20)be09abcbfda1f2c26899f062979ab0708731235a OP_EQUALVERIFY OP_CHECKSIG |
接下來我們要對第一個Input簽名,於是我們需要將交易複製一個副本,並改爲:
Input | Output |
PreviousOutPoint={
TxHash:1dda832890f85288fec616ef1f4113c0c86b7bf36b560ea244fd8a6ed12ada52, OutIndex:1} SignatureScript = OP_DUP OP_HASH160 PUSHDATA(20) b5407cec767317d41442aab35bad2712626e17ca OP_EQUALVERIFY OP_CHECKSIG ,Sequence =0xFFFFFFFF |
Value=29910240 PkScript= OP_DUP OP_HASH160 PUSHDATA(20)b5407cec767317d41442aab35bad2712626e17ca OP_EQUALVERIFY OP_CHECKSIG |
PreviousOutPoint={
TxHash:24f284aed2b9dbc19f0d435b1fe1ee3b3ddc763f28ca28bad798d22b6bea0c66, OutIndex:1} SignatureScript =NULL,Sequence =0xFFFFFFFF |
Value=120000000 PkScript= OP_DUP OP_HASH160 PUSHDATA(20)be09abcbfda1f2c26899f062979ab0708731235a OP_EQUALVERIFY OP_CHECKSIG |
接下來對這個交易計算Hash,然後進行簽名。得到簽名結果:3045022100c435eb458b295381d6e1f489b8683d1b10ecad0a7691949a4ae7ffee74bd22ae022031e47b9ebed5b90f6d51cd05e6f53bdc59f5d6d754aff14a88a6e8659b5fdad501 而我們知道這個地址的公鑰是:038cc8c907b29a58b00f8c2590303bfc93c69d773b9da204337678865ee0cafadb
所以簽完名後,我們的交易變成:
Input | Output |
PreviousOutPoint={
TxHash:1dda832890f85288fec616ef1f4113c0c86b7bf36b560ea244fd8a6ed12ada52, OutIndex:1} SignatureScript = PUSHDATA(72)[3045022100c435eb458b295381d6e1f489b8683d1b10ecad0a7691949a4ae7ffee74bd2 2ae022031e47b9ebed5b90f6d51cd05e6f53bdc59f5d6d754aff14a88a6e8659b5fdad501] PUSHDATA(33)[038cc8c907b29a58b00f8c2590303bfc93c69d773b9da204337678865ee0cafadb] ,Sequence =0xFFFFFFFF |
Value=29910240 PkScript= OP_DUP OP_HASH160 PUSHDATA(20)b5407cec767317d41442aab35bad2712626e17ca OP_EQUALVERIFY OP_CHECKSIG |
PreviousOutPoint={
TxHash:24f284aed2b9dbc19f0d435b1fe1ee3b3ddc763f28ca28bad798d22b6bea0c66, OutIndex:1} SignatureScript =NULL,Sequence =0xFFFFFFFF |
Value=120000000 PkScript= OP_DUP OP_HASH160 PUSHDATA(20)be09abcbfda1f2c26899f062979ab0708731235a OP_EQUALVERIFY OP_CHECKSIG |
這才只是完成了第一個Input的簽名,接下來我們再對第二個Input進行簽名,同樣的道理,我們需要製造一個交易的副本,然後把第一個Input的SignatureScript清空,然後給第二個Input的SignatureScript賦值:
Input | Output |
PreviousOutPoint={
TxHash:1dda832890f85288fec616ef1f4113c0c86b7bf36b560ea244fd8a6ed12ada52, OutIndex:1} SignatureScript =NULL,Sequence =0xFFFFFFFF |
Value=29910240 PkScript= OP_DUP OP_HASH160 PUSHDATA(20)b5407cec767317d41442aab35bad2712626e17ca OP_EQUALVERIFY OP_CHECKSIG |
PreviousOutPoint={
TxHash:24f284aed2b9dbc19f0d435b1fe1ee3b3ddc763f28ca28bad798d22b6bea0c66, OutIndex:1} SignatureScript =OP_DUP OP_HASH160 PUSHDATA(20) b5407cec767317d41442aab35bad2712626e17ca OP_EQUALVERIFY OP_CHECKSIG ,Sequence =0xFFFFFFFF |
Value=120000000 PkScript= OP_DUP OP_HASH160 PUSHDATA(20)be09abcbfda1f2c26899f062979ab0708731235a OP_EQUALVERIFY OP_CHECKSIG |
顯然這個副本與第一個簽名時的數據是不一樣的,所以簽名結果也不一樣,最終簽名結果爲:30440220196bce75f0a25ac8afa7218aefc86cba3924845450f3d311c89e9c2a3438a99c0220230bed598a610be971ca49690f4b42ac2acfa80c09d4cbabd278b03c824af14501,當然我們因爲是同一個地址,所以公鑰是一樣的:038cc8c907b29a58b00f8c2590303bfc93c69d773b9da204337678865ee0cafadb
我們把這個簽名和公鑰再放回原始交易中,就變成我們需要的完整簽名的交易:
Input | Output |
PreviousOutPoint={
TxHash:1dda832890f85288fec616ef1f4113c0c86b7bf36b560ea244fd8a6ed12ada52, OutIndex:1} SignatureScript =PUSHDATA(72)[3045022100c435eb458b295381d6e1f489b8683d1b10ecad0a7691949a4ae7ffee74bd22ae022031e47b9ebed5b90f6d51cd05e6f53bdc59f5d6d754aff14a88a6e8659b5fdad501] PUSHDATA(33)[038cc8c907b29a58b00f8c2590303bfc93c69d773b9da204337678865ee0cafadb] ,Sequence =0xFFFFFFFF |
Value=29910240 PkScript= OP_DUP OP_HASH160 PUSHDATA(20)b5407cec767317d41442aab35bad2712626e17ca OP_EQUALVERIFY OP_CHECKSIG |
PreviousOutPoint={
TxHash:24f284aed2b9dbc19f0d435b1fe1ee3b3ddc763f28ca28bad798d22b6bea0c66, OutIndex:1} SignatureScript =PUSHDATA(71)[30440220196bce75f0a25ac8afa7218aefc86cba3924845450f3d311c89e9c2a3438a99c0220230bed598a610be971ca49690f4b42ac2acfa80c09d4cbabd278b03c824af14501] PUSHDATA(33)[038cc8c907b29a58b00f8c2590303bfc93c69d773b9da204337678865ee0cafadb] ,Sequence =0xFFFFFFFF |
Value=120000000 PkScript= OP_DUP OP_HASH160 PUSHDATA(20)be09abcbfda1f2c26899f062979ab0708731235a OP_EQUALVERIFY OP_CHECKSIG |
這就是一個真實完整的交易了,接下來就可以通過P2P網絡發送該交易,並最終被礦工打包確認。
總結
實際上在比特幣的源碼中比我上面說的還要複雜一些,還涉及到這個hash是對整個交易進行SigHashAll還是SigHashSingle或者SigHashNone,這些都是很特殊的情況,一般的比特幣錢包也不支持,具體可以參加精通比特幣書中的介紹:6.5.3簽名哈希類型( SIGHASH)
普通來說,我們要對一筆交易進行簽名或者驗籤,就是把當前Input中的解鎖腳本替換成鎖定腳本,而其他Input的解鎖腳本清空,然後計算Hash和簽名!
其實我還是有點不明白,爲什麼比特幣中不直接對沒有任何解鎖腳本的RawTransaction進行簽名呢?而是非要加上鎖定腳本來簽名?不知道這裏面有什麼更深的考慮。