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Rust：实现比特币的交易模型

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比特币的交易模型

比特币，作为第一个成功实践区块链技术的加密货币，引入了一个独特的交易模型——UTXO（Unspent Transaction Output，未花费交易输出）模型。与传统的银行账户系统采用的账户余额模型不同，UTXO模型为比特币网络提供了更高的安全性和隐私性。本文旨在深入探讨UTXO模型的工作原理，并通过Rust语言实现来具体展示其运作过程。

UTXO模型简介

在UTXO模型中，用户的“余额”不是存储在单一的账户中，而是分散在多个UTXO中。每个UTXO代表比特币网络上的一笔可用于未来交易的输出。当用户发起一笔新交易时，他们实际上是将之前交易中的一个或多个UTXO作为输入，转化为新的UTXO给接收方。这种模型的一个关键特点是，UTXO一旦被消费，便不会再次出现在交易输入中。如下图

Rust：实现比特币的交易模型

UTXO模型的优势

UTXO模型提供的不仅是一种记录资金所有权和转移的方法，它还增强了网络的隐私性和安全性。由于UTXO可以被分割和合并，但不可更改，这使得追踪资金流动变得更加复杂，从而提高了用户隐私。此外，UTXO模型允许网络并行验证交易，大大提高了比特币网络的处理能力和效率。

交易处理流程

一笔比特币交易从生成到确认的过程涉及到多个步骤。首先，交易发起者需要选择足够的UTXO作为输入来覆盖交易的总额和手续费。然后，他们生成新的TxOut作为输出，指定接收方和金额。之后，发起者使用他们的私钥对交易进行签名。最后，这笔交易被广播到比特币网络，经过网络节点的验证后，被包含在一个区块中，最终被添加到区块链上。

UTXO模型Rust实现

use std::collections::HashMap;
use serde::{Serialize, Deserialize};

// 比特币交易的结构体定义
#[derive(Debug, Clone, Serialize, Deserialize)]
struct Transaction {
    version: i32,
    inputs: Vec<TxIn>,
    outputs: Vec<TxOut>,
    lock_time: u32,
}

// 交易输入结构体
#[derive(Debug, Clone, Serialize, Deserialize)]
struct TxIn {
    previous_output: OutPoint,
    script_sig: Vec<u8>, // 解锁脚本
    sequence: u32, // 序列号
}

// 交易输出结构体
#[derive(Debug, Clone, Serialize, Deserialize)]
struct TxOut {
    value: u64, // 输出的价值，单位是聪
    script_pubkey: Vec<u8>, // 锁定脚本
}

// 指向特定交易输出的结构体
#[derive(Debug, Clone, Hash, Eq, PartialEq, Serialize, Deserialize)]
struct OutPoint {
    txid: Vec<u8>, // 引用的交易ID
    vout: u32, // 引用的输出索引
}

// 代表UTXO集合的结构体
struct UTXOSet {
    utxos: HashMap<OutPoint, TxOut>,
}

Transaction结构体

代表了一笔比特币交易，包含以下字段：

  • version: 交易的版本号，用于指示交易的格式或规则，允许比特币网络升级交易格式而保持向后兼容性。
  • inputs: 一个TxIn结构体的向量（数组），代表交易的输入。每个输入是对之前交易的引用，即使用之前交易的输出作为当前交易的输入。
  • outputs: 一个TxOut结构体的向量，代表交易的输出。每个输出定义了新的资金如何被分配和锁定。
  • lock_time: 交易的锁定时间，定义了交易最早可以被添加到区块链中的时间。如果为0，则表示交易可以立即被包含。否则，它可以是一个特定的区块高度或时间戳，交易只能在该时间或之后被处理。

TxIn结构体

表示交易的一个输入，包含以下字段：

  • previous_output: OutPoint结构体实例，指向一个之前交易的特定输出，即这个输入所引用的UTXO。
  • script_sig: 解锁脚本，用于证明交易发起者有权使用引用的UTXO。这是验证交易合法性的关键部分。
  • sequence: 序列号，提供了交易的额外灵活性，如替换能力和相对时间锁定（BIP 68）。

TxOut结构体

表示交易的一个输出，包含以下字段：

  • value: 输出的价值，以聪为单位。聪是比特币的最小单位，1比特币 = 100,000,000聪。
  • script_pubkey: 锁定脚本，指定了谁可以使用这笔输出。这通常包含了接收方的地址信息，确保只有特定的个人或条件能解锁并花费这些资金。

OutPoint结构体

用于唯一标识交易中的一个特定输出，包含以下字段：

  • txid: 引用的交易ID，是一个特定交易的唯一标识符。这通常是该交易内容的哈希值。
  • vout: 引用的输出索引，指出txid所指交易的哪一个输出被当前交易的输入所引用。

UTXOSet结构体

代表所有未花费交易输出的集合。这个集合是比特币网络中所有可用资金的数据库，包含以下字段：

  • utxos: 一个由OutPoint到TxOut的映射（HashMap），存储了网络上所有未被花费的输出。OutPoint提供了UTXO的唯一标识，而TxOut则存储了UTXO的具体信息（如价值和能够解锁该UTXO的条件）。

结构体提实现方法

我们需要考虑Rust的特性和加密货币领域的特定需求。以下是一个简化的实现，旨在展示如何为Transaction, TxIn, TxOut, OutPoint, 和 UTXOSet 结构体添加基本方法。注意，这个实现跳过了复杂的比特币协议细节，如签名验证和脚本执行，因为这些需要加密学库和比特币脚本解释器的支持。

首先，确保Cargo.toml文件包含了必要的依赖，如serde用于序列化，以及其他可能需要的加密库。

[dependencies]
serde = { version = "1.0", features = ["derive"] }
serde_json = "1.0"

以下是基本的Rust实现：

use std::collections::HashMap;
use serde::{Serialize, Deserialize};

#[derive(Debug, Clone, Serialize, Deserialize)]
struct Transaction {
    version: i32,
    inputs: Vec<TxIn>,
    outputs: Vec<TxOut>,
    lock_time: u32,
}

impl Transaction {
    fn new(version: i32, inputs: Vec<TxIn>, outputs: Vec<TxOut>, lock_time: u32) -> Self {
        Self { version, inputs, outputs, lock_time }
    }
    // 更复杂的方法，如签名验证，将需要额外的实现细节
}

#[derive(Debug, Clone, Serialize, Deserialize)]
struct TxIn {
    previous_output: OutPoint,
    script_sig: Vec<u8>,
    sequence: u32,
}

impl TxIn {
    fn new(previous_output: OutPoint, script_sig: Vec<u8>, sequence: u32) -> Self {
        Self { previous_output, script_sig, sequence }
    }
}

#[derive(Debug, Clone, Serialize, Deserialize)]
struct TxOut {
    value: u64,
    script_pubkey: Vec<u8>,
}

impl TxOut {
    fn new(value: u64, script_pubkey: Vec<u8>) -> Self {
        Self { value, script_pubkey }
    }
}

#[derive(Debug, Clone, Hash, Eq, PartialEq, Serialize, Deserialize)]
struct OutPoint {
    txid: Vec<u8>,
    vout: u32,
}

impl OutPoint {
    fn new(txid: Vec<u8>, vout: u32) -> Self {
        Self { txid, vout }
    }
}

struct UTXOSet {
    utxos: HashMap<OutPoint, TxOut>,
}

impl UTXOSet {
    fn new() -> Self {
        Self { utxos: HashMap::new() }
    }

    fn add_utxo(&mut self, outpoint: OutPoint, txout: TxOut) {
        self.utxos.insert(outpoint, txout);
    }

    fn remove_utxo(&mut self, outpoint: &OutPoint) {
        self.utxos.remove(outpoint);
    }

    // 假设查找不涉及所有权转移，只是检查
    fn find_utxo(&self, outpoint: &OutPoint) -> Option<&TxOut> {
        self.utxos.get(outpoint)
    }
}

// 用法示例
fn main() {
    // 初始化UTXO集
    let mut utxo_set = UTXOSet::new();

    // 创建OutPoint和TxOut用于测试
    let outpoint = OutPoint::new(vec![0u8; 32], 0);
    let txout = TxOut::new(1000, vec![0u8; 65]);

    // 添加UTXO
    utxo_set.add_utxo(outpoint.clone(), txout);

    // 查找UTXO
    if let Some(found_utxo) = utxo_set.find_utxo(&outpoint) {
        println!("Found UTXO: {:?}", found_utxo);
    }

    // 移除UTXO
    utxo_set.remove_utxo(&outpoint);
}

这个示例展示了如何为比特币交易模型中的核心结构体实现基本功能。实际的比特币协议实现会更加复杂，涉及到加密验证、脚本解析和执行、网络传输等多个方面。此外，为了确保代码的安全性和性能，比特币节点的实现通常需要广泛的测试和优化。

交易过程

  1. 创建输入和输出：首先，交易发起者（Alice）需要确定她想要花费的UTXO（比如，她之前收到的一笔交易产生的UTXO）。她创建一个TxIn，引用这个UTXO的OutPoint（包含了UTXO的交易ID和输出索引）。然后，Alice决定向Bob发送一定数量的比特币，所以她创建一个TxOut，指定转账金额和Bob的接收地址（实际上是将接收地址编码在script_pubkey中）。
  2. 构建交易：Alice将刚才创建的输入和输出组合成一个新的Transaction对象。如果交易的总输出小于总输入，Alice可能还会添加一个额外的TxOut作为找零，返回到她自己的地址。
  3. 签名交易：为了证明她有权使用引用的UTXO，Alice需要对交易进行签名。这个过程在上述简化代码中被省略了，但实际上，她会使用自己的私钥对交易（或交易的某个哈希值）进行签名，并将签名放在对应TxIn的script_sig字段中。
  4. 广播交易：Alice将完成的交易广播到比特币网络。网络中的节点将验证交易的有效性（包括签名验证和确保引用的UTXO未被其他交易花费）。
  5. 交易确认：一旦交易被网络中的矿工包含在一个新挖掘的区块中，它就被认为是已确认的。此时，Alice转给Bob的比特币就可以由Bob使用了。

查询交易信息

假设想查询一笔已确认的交易，通常需要以下步骤：

  1. 交易ID：每笔交易都有一个唯一的ID（txid），这是交易数据的哈希值。知道了交易ID，你就可以在区块链上查询到这笔交易的具体信息。通常全节点会保存所有的比特币区块信息，以及保存所有的交易信息，通常可以再全节点通过交易哈希查询到具体的交易

假设Alice想向Bob发送0.1 BTC，我们假设Alice有一个UTXO，价值为0.15 BTC。以下是使用上述代码框架的简化示例：

let alice_utxo = OutPoint::new(vec![1; 32], 0); // 假设的UTXO
let input = TxIn::new(alice_utxo, vec![], 0xffffffff);
let output_to_bob = TxOut::new(10000000, vec![2; 65]); // 向Bob发送0.1 BTC
let change_to_alice = TxOut::new(5000000, vec![3; 65]); // Alice的找零0.05 BTC
let transaction = Transaction::new(1, vec![input], vec![output_to_bob, change_to_alice], 0);

// 在实际应用中，Alice需要对`transaction`进行签名，并通过网络将其广播

这个例子展示了交易创建的基本过程。但是在实际应用中，还需要考虑交易费用、签名和脚本的执行等复杂因素。查询一笔交易的具体信息通常不需要通过编程实现，因为区块链浏览器或节点软件提供了便捷的查询功能。

Coinbase交易

在比特币网络中，coinbase交易一种特殊交易，它是矿工的挖矿奖励，而不是一个账户地址到另一个账户地址的金额转移，但是它也包括了区块内所有其他交易的手续费。与普通交易不同，coinbase交易有一些特殊的规则：

  1. 没有输入：coinbase交易没有真正的输入，因为它并不是从现有的UTXO中转移比特币。相反，它创建了新的比特币，作为矿工的奖励。

  2. 特殊的输入结构：尽管coinbase交易没有真正的输入，但在其数据结构中，它仍然包含一个输入项。这个输入项的previous_output字段被设置为全零的32字节哈希值，vout字段被设置为0xffffffff，而script_sig字段通常包含矿池的标识信息和当前区块的额外随机数（nonce） from Pomelo_刘金，转载请注明原文链接。感谢！