比特币中对交易进行签名的详细过程

最近在和同事交流我们PalletOne中对UTXO和签名的处理,有些心得,写下此博文。对比特币有点基本概念的都知道,比特币是通过ECDSA数字签名来解锁UTXO中的未花费余额。

关于UTXO我不需要做太多介绍,毕竟介绍这个概念的文章已经很多了。我主要是谈谈已经有UTXO了,该怎么花掉。

交易的结构

我们先来看看在比特币中,一个交易的结构是什么样的?

type MsgTx struct {

    Version int32

    TxIn []*TxIn

    TxOut []*TxOut

    LockTime uint32

}

type TxOut struct {

    Value int64

    PkScript []byte

}

type TxIn struct {

    PreviousOutPoint OutPoint

    SignatureScript []byte

    Sequence uint32

}

type OutPoint struct {

    Hash chainhash.Hash

    Index uint32

}

我们可以看到,一个交易(MsgTx)是由多个Input和多个Output组成的,而在Input中是由指向UTXO的OutPoint,解锁脚本SignatureScript和序列Sequence组成。

UTXO我们可以认为是一个KeyValue的大表,在该表中,交易的Hash和该交易中Output所在的位置索引Index就构成了UTXO的Key,而Value就是比特币Amount、锁定脚本等信息,所以在UTXO数据库中,我们通过OutPoint能够很快的找到对应的Amount和锁定脚本。

在比特币中,要做一笔交易分为三个步骤:

  1. 构建原始交易RawTransaction,该交易包含了输入指向的OutPoint,也包含了完整的Output,但是没有签名,也就是没有设置SignatureScript的内容。
  2. 用私钥对签名构建的RawTransaction进行签名,并将签名构建成完整的解锁脚本,填入对应的Input的SignatureScript字段中。
  3. 将签名后的Transaction发送到P2P网络中。

构建原始交易RawTransaction

现在假设我有一个地址mx3KrUjRzzqYTcsyyvWBiHBncLrrTPXnkV(这是一个测试网地址),该地址收到了两笔转账,一笔0.4BTC(https://testnet.blockchain.info/tx-index/239152566/1),另一笔1.1BTC(https://testnet.blockchain.info/tx-index/239157459/1),这两笔收入都是在其交易Output的第二条,也就是Index=1(Index从0开始算)。现在我们想要做一笔1.2BTC的转账,然后给一定的手续费后,找零到原地址,所以我们会构建一笔交易,该交易有2Input和2Output。

以下是我用Go基于btcd写的示例代码,这里我们就构建好了一个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}

//构建第一个Input,指向一个0.4BTC的UTXO,第二个参数是解锁脚本,现在是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}

//构建第二个Input,指向一个1.1BTC的UTXO,第二个参数是解锁脚本,现在是nil

    tx.AddTxIn(wire.NewTxIn(&point2, nil, nil))

//找零的地址(这里是16进制形式,变成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()

//构建第一个Output,是找零0.2991024 BTC

    tx.AddTxOut(wire.NewTxOut(29910240, lock))

//支付给了某个地址,仍然是16进制形式,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()

//构建第二个Output,支付1.2 BTC出去

    tx.AddTxOut(wire.NewTxOut(120000000, lock2))

return tx

}

交易的签名过程

现在我们知道私钥,需要对该交易进行签名,因为有2个Input,所以我们要签名2次,每个签名的原理是一样的,我就以第一个Input为例来说明吧。

在比特币中,对一笔交易的签名流程是这样的:

1.查找该笔交易对应的UTXO

2.获得该UTXO对应的锁定脚本

3.复制该交易对象,并在复制副本中将该Input的解锁脚本字段的值设置为对应的锁定脚本

4.清除其他Input的解锁脚本字段

5.对这个改造后的交易对象计算Hash

6.使用私钥对Hash进行签名。

用表格的形式可以更容易表达:

这是原始未签名的交易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

接下来我们要对第一个Input签名,于是我们需要将交易复制一个副本,并改为:

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

接下来对这个交易计算Hash,然后进行签名。得到签名结果:3045022100c435eb458b295381d6e1f489b8683d1b10ecad0a7691949a4ae7ffee74bd22ae022031e47b9ebed5b90f6d51cd05e6f53bdc59f5d6d754aff14a88a6e8659b5fdad501 而我们知道这个地址的公钥是:038cc8c907b29a58b00f8c2590303bfc93c69d773b9da204337678865ee0cafadb

所以签完名后,我们的交易变成:

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

这才只是完成了第一个Input的签名,接下来我们再对第二个Input进行签名,同样的道理,我们需要制造一个交易的副本,然后把第一个Input的SignatureScript清空,然后给第二个Input的SignatureScript赋值:

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

显然这个副本与第一个签名时的数据是不一样的,所以签名结果也不一样,最终签名结果为:30440220196bce75f0a25ac8afa7218aefc86cba3924845450f3d311c89e9c2a3438a99c0220230bed598a610be971ca49690f4b42ac2acfa80c09d4cbabd278b03c824af14501,当然我们因为是同一个地址,所以公钥是一样的:038cc8c907b29a58b00f8c2590303bfc93c69d773b9da204337678865ee0cafadb

我们把这个签名和公钥再放回原始交易中,就变成我们需要的完整签名的交易:

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

这就是一个真实完整的交易了,接下来就可以通过P2P网络发送该交易,并最终被矿工打包确认。

总结

实际上在比特币的源码中比我上面说的还要复杂一些,还涉及到这个hash是对整个交易进行SigHashAll还是SigHashSingle或者SigHashNone,这些都是很特殊的情况,一般的比特币钱包也不支持,具体可以参加精通比特币书中的介绍:6.5.3签名哈希类型( SIGHASH)

普通来说,我们要对一笔交易进行签名或者验签,就是把当前Input中的解锁脚本替换成锁定脚本,而其他Input的解锁脚本情况,然后计算Hash和签名!

其实我还是有点不明白,为什么比特币中不直接对没有任何解锁脚本的RawTransaction进行签名呢?而是非要加上锁定脚本来签名?不知道这里面有什么更深的考虑。

posted @ 2018-08-20 21:18 深蓝 阅读(...) 评论(...) 编辑 收藏

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