python區塊鏈簡易版交易實現示例

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說明

本文根據https://github.com/liuchengxu/blockchain-tutorial的內容，用python實現的，但根據個人的理解進行瞭一些修改，大量引用瞭原文的內容。文章末尾有"本節完整源碼實現地址"。

引言

交易（transaction）是比特幣的核心所在，而區塊鏈唯一的目的，也正是為瞭能夠安全可靠地存儲交易。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。今天，我們將會開始實現交易。不過，由於交易是很大的話題，我會把它分為兩部分來講：在今天這個部分，我們會實現交易的基本框架。在第二部分，我們會繼續討論它的一些細節。

由於比特幣采用的是 UTXO 模型，並非賬戶模型，並不直接存在“餘額”這個概念，餘額需要通過遍歷整個交易歷史得來。

比特幣交易

點擊 這裡 在 https://www.blockchain.com/explorer 查看下圖中的交易信息。

一筆交易由一些輸入（input）和輸出（output）組合而來：

class Transaction(object):
    def __init__(self, vins, vouts):
        self.txid = ''
        self.vins = vins
        self.vouts = vouts

對於每一筆新的交易，它的輸入會引用（reference）之前一筆交易的輸出（這裡有個例外，coinbase 交易），引用就是花費的意思。所謂引用之前的一個輸出，也就是將之前的一個輸出包含在另一筆交易的輸入當中，就是花費之前的交易輸出。交易的輸出，就是幣實際存儲的地方。下面的圖示闡釋瞭交易之間的互相關聯：

註意：

  • 有一些輸出並沒有被關聯到某個輸入上
  • 一筆交易的輸入可以引用之前多筆交易的輸出
  • 一個輸入必須引用一個輸出

貫穿本文，我們將會使用像“錢（money）”，“幣（coin）”，“花費（spend）”，“發送（send）”，“賬戶（account）” 等等這樣的詞。但是在比特幣中，其實並不存在這樣的概念。交易僅僅是通過一個腳本（script）來鎖定（lock）一些值（value），而這些值隻可以被鎖定它們的人解鎖（unlock）。

每一筆比特幣交易都會創造輸出，輸出都會被區塊鏈記錄下來。給某個人發送比特幣，實際上意味著創造新的 UTXO 並註冊到那個人的地址，可以為他所用。

交易輸出

先從輸出（output）開始：

class TXOutput(object):
    def __init__(self, value, script_pub_key):
        self.value = value
        self.script_pub_key = script_pub_key

輸出主要包含兩部分：

一定量的比特幣(Value)

一個鎖定腳本(script_pub_key)，要花這筆錢，必須要解鎖該腳本。

實際上，正是輸出裡面存儲瞭“幣”（註意，也就是上面的 Value 字段）。而這裡的存儲，指的是用一個數學難題對輸出進行鎖定，這個難題被存儲在 script_pub_key 裡面。在內部，比特幣使用瞭一個叫做 Script 的腳本語言，用它來定義鎖定和解鎖輸出的邏輯。雖然這個語言相當的原始（這是為瞭避免潛在的黑客攻擊和濫用而有意為之），並不復雜，但是我們也並不會在這裡討論它的細節。你可以在這裡 找到詳細解釋。

在比特幣中，value 字段存儲的是 satoshi 的數量，而不是 BTC 的數量。一個 satoshi 等於一億分之一的 BTC(0.00000001 BTC)，這也是比特幣裡面最小的貨幣單位（就像是 1 分的硬幣）。

由於還沒有實現地址（address），所以目前我們會避免涉及邏輯相關的完整腳本。script_pub_key 將會存儲一個任意的字符串（用戶定義的錢包地址）。

順便說一下，有瞭一個這樣的腳本語言，也意味著比特幣其實也可以作為一個智能合約平臺。

關於輸出，非常重要的一點是：它們是不可再分的（indivisible）。也就是說，你無法僅引用它的其中某一部分。要麼不用，如果要用，必須一次性用完。當一個新的交易中引用瞭某個輸出，那麼這個輸出必須被全部花費。如果它的值比需要的值大，那麼就會產生一個找零，找零會返還給發送方。這跟現實世界的場景十分類似，當你想要支付的時候，如果一個東西值 1 美元，而你給瞭一個 5 美元的紙幣，那麼你會得到一個 4 美元的找零。

發送幣

現在，我們想要給其他人發送一些幣。為此，我們需要創建一筆新的交易，將它放到一個塊裡，然後挖出這個塊。之前我們隻實現瞭 coinbase 交易（這是一種特殊的交易），現在我們需要一種通用的普通交易：

def new_transaction(self, from_addr, to_addr, amount):
        inputs = []
        outputs = []
        acc, valid_outpus = self._find_spendable_outputs(from_addr, amount)
        if acc < amount:
            raise NotEnoughAmountError(u'not enough coin')
        for txid, outs in valid_outpus.items():
            for out in outs:
                out_index = out[0]
                input = TXInput(txid, out_index, from_addr)
                inputs.append(input)
        output = TXOutput(amount, to_addr)
        outputs.append(output)
        if acc > amount:
            # a change
            outputs.append(TXOutput(acc - amount, from_addr))
        tx = Transaction(inputs, outputs)
        tx.set_id()
        return tx

在創建新的輸出前，我們首先必須找到所有的未花費輸出，並且確保它們有足夠的價值（value），這就是 _find_spendable_outputs 方法要做的事情。隨後，對於每個找到的輸出，會創建一個引用該輸出的輸入。接下來，我們創建兩個輸出：

一個由接收者地址鎖定。這是給其他地址實際轉移的幣。

一個由發送者地址鎖定。這是一個找零。隻有當未花費輸出超過新交易所需時產生。記住：輸出是不可再分的。

這個方法對所有的未花費交易進行迭代，並對它的值進行累加。當累加值大於或等於我們想要傳送的值時，它就會停止並返回累加值，同時返回的還有通過交易 ID 進行分組的輸出索引。我們隻需取出足夠支付的錢就夠瞭。

現在我們修改add_block方法:

    def add_block(self, transactions):
        """
        add a block to block_chain
        """
        last_block = self.get_last_block()
        prev_hash = last_block.get_header_hash()
        height = last_block.block_header.height + 1
        block_header = BlockHeader('', height, prev_hash)
        block = Block(block_header, transactions)
        block.mine()
        block.set_header_hash()
        self.db.create(block.block_header.hash, block.serialize())
        last_hash = block.block_header.hash
        self.set_last_hash(last_hash)

最後，讓我們來實現 send 方法：

def send(bc, from_addr, to_addr, amount):
    bc = BlockChain()
    tx = bc.new_transaction(from_addr, to_addr, amount)
    bc.add_block([tx])
    print('send %d from %s to %s' %(amount, from_addr, to_addr))

發送幣意味著創建新的交易，並通過挖出新塊的方式將交易打包到區塊鏈中。不過，比特幣並不是一連串立刻完成這些事情（雖然我們目前的實現是這麼做的）。相反，它會將所有新的交易放到一個內存池中（mempool），然後當礦工準備挖出一個新塊時，它就從內存池中取出所有交易，創建一個候選塊。隻有當包含這些交易的塊被挖出來，並添加到區塊鏈以後，裡面的交易才開始確認。

讓我們來檢查一下發送幣是否能工作：

首先我們要執行main.py完成創世塊的構建

$ python3 main.py
Mining a new block
Found nonce == 17ash_hex == 01ded3ff2872093f2eefcd7b8b5b264e96996f31f933e6636db034b4151b61aa
Block(_block_header=BlockHeader(timestamp='1551086196.4749706', hash_merkle_root='', prev_block_hash='', hash='ce93f6e1a2f7dec3a538e8b6397e4b8eba59bace2e7ac08f82875447d2660173', nonce=None, height=0))
Block(_block_header=BlockHeader(timestamp='1551086196.6248493', hash_merkle_root='', prev_block_hash='', hash='d5ecad2ed10a978e2f280e62d6a25ce4def6cdfc66ac9dcd124c24c5a4b9ac07', nonce=17, height=1))

$ python3 cli.py send --from zhangsanaddr --to lisiaddr --amount 10
Found nonce == 0ash_hex == 08c67066d0c7fc8d2ef80076e91626ff05999046ae0248e1971b99a30541518b
send 10 from zhangsanaddr to lisiaddr

餘額查看

def get_balance(bc, addr):
    balance = 0
    utxos = bc.find_UTXO(addr)
    for utxo in utxos:
        balance += utxo.value
    print('%s balance is %d' %(addr, balance))

find_UTXO方法找出所有的UTXO,實現如下:

$ python3 cli.py balance zhangsanaddr 
zhangsanaddr balance is 980

先利用_find_unspent_transactions找出所有的未花費交易，並判斷是否是當前地址可以解鎖的，就找出瞭所有的UTXO。

測試一下效果:

$ python3 cli.py balance zhangsanaddr 
zhangsanaddr balance is 980

總結

雖然不容易，但是現在終於實現交易瞭！不過，我們依然缺少瞭一些像比特幣那樣的一些關鍵特性：

地址（address）。我們還沒有基於私鑰（private key）的真實地址。

獎勵（reward）。現在挖礦是肯定無法盈利的！

UTXO 集。獲取餘額需要掃描整個區塊鏈，而當區塊非常多的時候，這麼做就會花費很長時間。並且，如果我們想要驗證後續交易，也需要花費很長時間。而 UTXO 集就是為瞭解決這些問題，加快交易相關的操作。

內存池（mempool）。在交易被打包到塊之前，這些交易被存儲在內存池裡面。在我們目前的實現中，一個塊僅僅包含一筆交易，這是相當低效的。

參考：

[1] https://github.com/liuchengxu/blockchain-tutorial/blob/master/content/part-4/transactions-1.md

[2] 本節完整實現源碼

以上就是python區塊鏈簡易版交易實現示例的詳細內容，更多關於python區塊鏈交易的資料請關註WalkonNet其它相關文章！

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