2.1 交易(Transactions)—— 电子货币的定义

原文与翻译

We define an electronic coin as a chain of digital signatures. Each owner transfers the coin to the next by digitally signing a hash of the previous transaction and the public key of the next owner and adding these to the end of the coin. A payee can verify the signatures to verify the chain of ownership.

我们将一枚电子硬币定义为一个数字签名链。一位所有者将一枚硬币交给另一个人的时候,要通过在这个数字签名链的末尾附加上以下数字签名:上一笔交易的哈希(hash,音译,亦翻译为“散列值”),以及新所有者的公钥。收款人可以通过验证签名去验证数字签名链的所属权。

论文原图

重要概念解析

  • 哈希(Hash): 指将一串任意长度的数据通过「哈希函数」(Hash Function)转换出的「固定长度的字符串」,等同于这串数据的「唯一签名」。

    通过原始数据可以校验 hash ,也即可以判断签名真实性;但不能通过 hash 还原数据,也即是「不可逆」的。

【Python 知识点】点击链接跳转至《自学是门手艺》相应知识点

# 试试自己生成 hash
# -*- encoding: utf-8 -*-
import random

hash = random.getrandbits(256) # md5 哈希算法

print("hash value by md5: %032x" % hash)

import hashlib

str_a = "shatoshi" # sha256 算法,bitcoin所使用的哈希算法之一

print("hash value by sha256: %s" % hashlib.sha256().hexdigest())
hash value by md5: f4c2070b6d8f71252a44bcbd292d8deb7c695550aa582fb9cda4247df0eccf65
hash value by sha256: e3b0c44298fc1c149afbf4c8996fb92427ae41e4649b934ca495991b7852b855
  • 公钥和私钥(Public Key and Private Key): 两把相互配套的「数字钥匙」,可用来「加密解密」或「签名验证」。一般来说,公钥是公开的,私钥是所有者保密的。

    既然是加密,那肯定是不希望别人知道我的消息,所以只有我才能解密,所以可得出公钥负责加密,私钥负责解密;同理,既然是签名,那肯定是不希望有人冒充我发消息,只有我才能发布这个签名,所以可得出私钥负责签名,公钥负责验证(本段来自知乎回答:RSA的公钥和私钥到底哪个才是用来加密和哪个用来解密?)。

↓↓↓以下内容为进阶知识 入门可略过↓↓↓

ECDSA 与 Secp256k1

我们在看比特币加密算法相关的时候会看到 ECDSA 和 Secp256k1 这两个概念,那么这两个又是啥呢?

  • ECDSA

    Elliptic Curve Digital Signature Algorithm or ECDSA is a cryptographic algorithm used by Bitcoin to ensure that funds can only be spent by their rightful owners.

    椭圆曲线数字签名算法(ECDSA)是一种比特币使用的密码学算法,该算法可确保资产只能被它们合法的拥有者所使用。

    私钥、公钥和签名是与 ECDSA 相关的三个重要概念。私钥和公钥的概念刚才已经说过了。现在再说说「签名」这个概念。

    签名(Signature): 一个可以证明「签名行为」发生过的数字/哈希。这个数字来源于一串哈希和私钥的数学运算。和公私钥不同,签名不是定长的,一般长度为 73、72 或 71 个字节。

  • Secp256k1

    Secp256k1 是比特币所使用的椭圆曲线的参数。所以,如果在一篇文章中提到 Secp256k1 签名算法,则可以理解为「使用了 Secp256k1 参数的 ECDSA 算法」。

下面,将用 Python 版本的 ECDSA 库来演示 Secp256k1 的签名 / 验证过程。

# 试试用Secp256k1 加解密
# -*- encoding: utf-8 -*-
import binascii
from ecdsa import SigningKey
from ecdsa.curves import SECP256k1

# 生成签名钥(私钥)、验证钥(前面加上<<04>>即是公钥)与签名
signning_key = SigningKey.generate(curve=SECP256k1)
verifing_key = signning_key.get_verifying_key()
signature = signning_key.sign(b'shatoshi')

sk_hex = binascii.hexlify(signning_key.to_string()).decode('utf-8')
vk_hex = binascii.hexlify(verifing_key.to_string()).decode('utf-8')
sig_hex = binascii.hexlify(signature).decode('utf-8')

print("sk hex is {0}, len is {1}".format(sk_hex,len(sk_hex))) # 32 字节的 binary,转换成 16 进制的话字符串长度是 64
print("vk hex is {0}, len is {1}".format(vk_hex,len(vk_hex))) # 64 字节的 binary,转换成 16 进制的话字符串长度是 128
print("sig hex is {0}, len is {1}".format(sig_hex,len(sig_hex)))

# 验证钥验证签名
print(verifing_key.verify(signature, b'shatoshi'))
verifing_key.verify(signature, b'batoshi') # 错误的签名导致错误抛出
sk hex is 2de61f4440cb795a80fdfd4959001e95df3874f858e51e9a26fa8d5a362bbb82, len is 64
vk hex is f1b3ffe40966091c2571652aba93924be80860680e569e8ee5d712c42b96ee9b79369f3c7a2e80aa68e52acde73a42b8bf341cb5a1b8a1ca441fe7aca3a3578a, len is 128
sig hex is dfe7cf7103a3fbc8c4508f955888ff87c6307050055176a48d4714b7722e1d6c9ce39e5469ea1e493ad60061468057d4ca4483e6caa8833cc7703a9ace2f8232, len is 128
True



---------------------------------------------------------------------------

BadSignatureError                         Traceback (most recent call last)

<ipython-input-2-85fbbe802489> in <module>
     20 # 验证钥验证签名
     21 print(verifing_key.verify(signature, b'shatoshi'))
---> 22 verifing_key.verify(signature, b'batoshi') # 错误的签名导致错误抛出


/usr/local/lib/python3.7/site-packages/ecdsa/keys.py in verify(self, signature, data, hashfunc, sigdecode)
     99         hashfunc = hashfunc or self.default_hashfunc
    100         digest = hashfunc(data).digest()
--> 101         return self.verify_digest(signature, digest, sigdecode)
    102 
    103     def verify_digest(self, signature, digest, sigdecode=sigdecode_string):


/usr/local/lib/python3.7/site-packages/ecdsa/keys.py in verify_digest(self, signature, digest, sigdecode)
    111         if self.pubkey.verifies(number, sig):
    112             return True
--> 113         raise BadSignatureError
    114 
    115 class SigningKey:


BadSignatureError: 

Secp256k1 与 公私钥 的关系

  • 私钥的本质: 私钥的本质是一个数字,这个数字用 16 进制表示的话,长度是 64;转换为字节,是 32 字节。
  • 公钥的本质: 用私钥生成Secp256k1曲线上的一个点,将 x 与 y 拼接起来,再在开头加上 <<04>> 后得到一个数字,这个数字就是公钥。用 16进制表示的话,长度是 130;转换为字节,是 65 字节。

公钥、私钥与地址的多种形式

虽然公钥、私钥的本质是数字,但是,不同编码方式下,公钥、私钥,还有公钥生成的地址,可以以多种形式呈现。通过这个古老的比特币地址生成网站,我们可以了解到有哪些形式:

  • 私钥
    • Private key 普通私钥(通过整型、16进制 或者 字节表示)
    • Private key WIF( Wallet Import Format)
    • Private Key WIF Compressed
  • 公钥

  • 地址

    • Bitcoin Address 普通比特币地址,通过 Public Key 生成
    • Bitcoin Address Compressed 压缩的比特币地址,通过 Public Key Compressed 生成

通过私钥我们可以生成公钥,通过公钥我们可以生成地址,但这两个过程均是不可逆的:

priv_to_pub_to_addr (本图来自精通比特币4.1.2:http://v1.8btc.com/books/261/master_bitcoin/_book/4/4.html)

交易类型、Output 与 UTXO

若要理解 UTXO,先要理解 Output;若要理解 Output,先要知道比特币的交易类型。

  • 比特币的交易类型: 比特币的交易有 P2PKH、P2PK、P2SH、P2WPKH 四种类型。在入门课程里,我们先只讲 P2PKH —— 目前比特币网络上最多的交易类型。

    • PKH: 公钥哈希(Public Key Hash),公钥经过 Sha256 函数加密,再经过 Ripemd160 函数加密,就得到了公钥哈希。公钥函数在开头加上地址版本(Address Version),再经过 Base58Check 函数加密,就会得到比特币地址。

      需要注意的是,Sha256 和 Ripemd160 是单向函数,因此可以通过公钥生成公钥哈希,但无法通过公钥哈希还原出公钥;Base58Check 是双向函数,因此可以通过地址得到公钥哈希。

    • P2PKH: 面向公钥哈希支付,交易需要发送人(sender)提供来自私钥的有效签名与公钥,交易输出脚本(Transaction Output Script)会使用签名和公钥来验证签名是否与公钥哈希匹配。如果匹配,则这笔钱会被支付出去。

  • Output: 知道以上概念,我们就能把握 Output 的含义: Output 包含两个部分 —— 一个表明表示这个 Output 里有多少比特币的数字与一个公钥脚本。打个比方,就是一个蓄水池与一个水龙头,水龙头需要用一把钥匙打开(签名脚本)。如果钥匙匹配,蓄水池打开,水就变成接收者的了。

放水图 ←放水图

  • UTXO: 知道了 Output,我们便能自然而然地理解 UTXO(Unspent Transaction Output)—— 公钥脚本还没「解锁」,还没放水的 Output。

在 Bitcoin 以及其他使用 UTXO 模型的加密货币中,某一个『账户』中的余额并不是由一个数字表示的,而是由当前区块链网络中所有跟当前『账户』有关的 UTXO 组成的。 balance_with_utxo_model 上图中所有绿色的交易输出才是 UTXO,红色的交易输出已经被当前『账户』使用了,所以在计算当前账户的余额时只会考虑绿色的交易输出,也就是 UTXO。

—— Draveness

【延伸阅读】

UTXO 与账户余额模型

总结

实际上,区块链系统中有「两条链」。一个个区块头尾相连形成的链是显式的,也即使「Block Chain」;另一条是由「Output」组成的链,这些链的起始是「币基交易(Coinbase Transaction)」,终点则是 UTXO。

把握了第二条链,我们便知道了比特币系统中的资金是如何流动的。

李大狗 Leeduckgo © 2019 all right reserved,powered by GitbookLast Modified: 2019-09-15

results matching ""

    No results matching ""