比特币脚本及交易分析 - 智能合约雏形

大家都有转过账,每笔交易是这样的:张三账上减¥200,李四账上加¥200。 在比特币区块链中,交易不是这么简单,交易实际是通过脚本来完成,以承载更多的功能个,这也是为什么比特币被称为是一种“可编程的货币”。 本文就来分析一下交易是如何实现可编程的。

未花费的交易输出(UTXO)

先引入一个概念:未花费的交易输出——UTXO(Unspent Transaction Output)

其实比特币的交易都是基于UTXO上的,即交易的输入是之前交易未花费的输出,这笔交易的输出可以被当做下一笔新交易的输入。

挖矿奖励属于一个特殊的交易(称为coinbase交易),可以没有输入。 UTXO是交易的基本单元,不能在分割。 在比特币没有余额概念,只有分散到区块链里的UTXO

随着钱从一个地址被移动到另一个地址的同时形成了一条所有权链,像这样:

比特币脚本

比特币交易是首先要提供一个用于解锁UTXO(用私钥去匹配锁定脚本)的脚本(常称为解锁脚本:Signature script),这也叫交易输入, 交易的输出则是指向一个脚本(称为锁定脚本:PubKey script),这个脚本表达了:谁的签名(签名是常见形式,并不一定必须是签名)能匹配这个输出地址,钱就支付给谁。

每一个比特币节点会通过同时执行这解锁和锁定脚本(不是当前的锁定脚本,是指上一个交易的锁定脚本)来验证一笔交易,脚本组合结果为真,则为有效交易。

当解锁版脚本与锁定版脚本的设定条件相匹配时,执行组合有效脚本时才会显示结果为真

如最为常见类型的比特币交易脚本(支付到公钥哈希:P2PKH(Pay-to-Public-Key-Hash))组合是这样:

常见交易脚本验证过程

比特币交易脚本语言是一种基于逆波兰表示法的基于栈的执行语言(不知道逆波兰和栈的同学去翻大学数据结构课本,你也可跳过这个部分)。

比特币脚本语言包含基本算数计算、基本逻辑(比如if…then)、报错以及返回结果和一些加密指令,不支持循环。想了解更多语言细节可参考:比特币脚本

脚本语言通过从左至右地处理每个项目的方式执行脚本。

下面用两个图说明下常见类型的比特币交易脚本验证执行过程:

上图为解锁脚本运行过程(主要是入栈)

上图为锁定脚本运行过程(主要是出栈),最后的结果为真,说明交易有效。

交易分析

实际上比特币的交易被设计为可以纳入多个输入和输出。

交易结构

我们来看看完整的交易结构,

交易的锁定时间定义了能被加到区块链里的最早的交易时间。在大多数交易里,它被设置成0,用来表示立即执行。 如果锁定时间不是0并且小于5亿,就被视为区块高度,意指在这个指定的区块高度之前,该交易不会被包含在区块链里。 如果锁定时间大于5亿,则它被当作是一个Unix纪元时间戳(从1970年1月1日以来的秒数),并且在这个指定时间之前,该交易不会被包含在区块链里。

交易的数据结构没有交易费的字段,交易费通过所有输入的总和,以及所有输出的总和之间的差来表示,即:

交易费 = 求和(所有输入) - 求和(所有输出)

交易输入结构

刚刚我们提过输入需要提供一个解锁脚本,现在来看看一个交易的输入结构:

我们结合整个交易的结构里看输入结构就是这样子:

交易输出结构

刚刚我们提过输出是指向一个解锁脚本,具体交易的输出结构为:

我们结合整个交易的结构里看输出结构就是这样子:

交易哈希计算

在比特币区块结构Merkle 树及简单支付验证分析 讲到区块结构,区块结构包含多个交易的哈希。 那么交易哈希是怎么计算的呢?

  1. 交易结构各字段序列化为字节数组
  2. 把字节数组拼接为支付串
  3. 对支付串计算两次SHA256 得到交易hash

了解详情可进一步参考如何计算交易Hash?及如何创建Hash?

现在是不是对完整的交易到区块有了更清晰的认识。

智能合约雏形 - 应用场景说明

由于交易是通过脚本来实现,脚本语言可以表达出无数的条件变种。

比特币的脚本目前常用的主要分为两种,一种是常见的P2PKH(支付给公钥哈希),另一种是P2SH(Pay-to-Script-Hash支付脚本哈希)。 P2SH支付中,锁定脚本被密码学哈希所取代,当一笔交易试图支付UTXO时,要解锁支付脚本,它必须含有与哈希相匹配的脚本。

这里不展开技术细节,下面说明一些应用场景,以便大家有更直观的认识。

  • 多重签名应用 合伙经营中,如只有一半以上的的股东同意签名就可以进行支付,可为公司治理提供管控便利,同时也能有效防范盗窃、挪用和遗失。 用于担保和争端调解,一个买家想和他不认识或不信任的某人交易,在一般情况交易正常进行时,买家不想任何第三方参与。那交易双方可以发起支付,但如果交易出现问题时,那第三方就可以根据裁定,使用自己的签名和裁定认可的一方共同签名来兑现这笔交易。
  • 保证合同 保证合同是建造公众商品时的集资办法,公众商品是指一旦建成,任何人都可以免费享受到好处。标准的例子是灯塔,所有人都认同应该建造一个,但是对于个人航海者来说灯塔太贵了,灯塔同时也会方便其他航海者。 一个解决方案是向所有人集资,只有当筹集的资金超过所需的建造成本时,每个人才真正付钱,如果集资款不足,则谁都不用付钱。
  • 依靠预言 假如老人想让他孙子继承遗产,继承时间是在他死后或者在孙子年满18岁时(也是一个带锁定时间交易),无论哪个条件先满足,他的孙子都可以得到遗产。 因为比特币节点可依靠预言对死亡条件进行判断,预言是指具有密钥对的服务器,当用户自定义的表达式被证明是真的,它能按照要求对交易签名。

相信随着区块链的普及,会对未来的交易模式和商业结构带来巨大的影响。不过由于比特币的脚本语言不是图灵完备的,交易模式依旧有限,以太坊就是为解决这一问题而出现,后面我们会有大量介绍以太坊的文章。

参考文献 & 补充阅读

  1. 精通比特币
  2. 廖雪峰的深入理解比特币交易的脚本
  3. 比特币合同

原文发布于微信公众号 - 深入浅出区块链技术(blockchaincore)

原文发表时间:2017-11-13

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