比特币源码研读--交易细节

作者: Hefe | 来源:发表于2018-10-26 15:12 被阅读0次

0x00 读码即挖矿

前两天看到群里还有人在讨论ETH和EOS的DAPP开发，看来区块链的落地还是一线希望，大家可以继续给自己的信仰充值。充值方式众多，比如加仓，Fomo，或是写DAPP，读代码。那我继续前两次的操作，继续阅读BTC的代码，版本0.8.2。上次粗读了一番交易的流程，大概的来龙去脉也略知一二，这次就按照关键的执行函数来扣一下具体的细节。

0x01 函数CreateTransaction

函数原型如下：

bool CWallet::CreateTransaction(const vector<pair<CScript, int64> >& vecSend,
                                CWalletTx& wtxNew, CReserveKey& reservekey, int64& nFeeRet, std::string& strFailReason)

我们先看一下该函数的具体引用，出现在rpcwallet.cpp中，具体的用途就是RPC调用，进行转账交易。

Value sendmany(const Array& params, bool fHelp)
{
    ...
    ...

    // Send
    CReserveKey keyChange(pwalletMain);
    int64 nFeeRequired = 0;
    string strFailReason;
    bool fCreated = pwalletMain->CreateTransaction(vecSend, wtx, keyChange, nFeeRequired, strFailReason);
    if (!fCreated)
        throw JSONRPCError(RPC_WALLET_INSUFFICIENT_FUNDS, strFailReason);
    if (!pwalletMain->CommitTransaction(wtx, keyChange))
        throw JSONRPCError(RPC_WALLET_ERROR, "Transaction commit failed");

    return wtx.GetHash().GetHex();
}

现在来看CreateTransaction函数的返回值和参数：

返回值：如果创建成功返回true，否则false
参数：
1，const vector<pair<CScript, int64> >& vecSend：目标地址和金额，数组，支持批量转账
2，CWalletTx& wtxNew：生成的钱包关联交易详情
3，int64& nFeeRet：gas费用
4，std::string& strFailReason：失败原因

整个代码的模块是一个loop，通过找到符合条件的utxo再break出来，看一看代码的内部实现：

1，判断发送目标地址和金额是否合法，没啥好说的

    int64 nValue = 0;
    BOOST_FOREACH (const PAIRTYPE(CScript, int64)& s, vecSend)
    {
        if (nValue < 0)
        {
            strFailReason = _("Transaction amounts must be positive");
            return false;
        }
        nValue += s.second;
    }
    if (vecSend.empty() || nValue < 0)
    {
        strFailReason = _("Transaction amounts must be positive");
        return false;
    }

2，构造交易输出，并丢弃粉尘交易，防止DDOS攻击，这块下文会详细描述

// vouts to the payees
BOOST_FOREACH (const PAIRTYPE(CScript, int64)& s, vecSend)
{
        CTxOut txout(s.second, s.first);
        if (txout.IsDust())
        {
            strFailReason = _("Transaction amount too small");
            return false;
        }
        wtxNew.vout.push_back(txout);
}

3，构造交易出入，也就是根据规则找到发送方最优的utxo集合，SelectCoins下文详细描述

// Choose coins to use
set<pair<const CWalletTx*,unsigned int> > setCoins;
int64 nValueIn = 0;
if (!SelectCoins(nTotalValue, setCoins, nValueIn))
{
    strFailReason = _("Insufficient funds");
    return false;
}

4，先计算优先级，再根据优先级推导出交易费用，下文详细描述

 BOOST_FOREACH(PAIRTYPE(const CWalletTx*, unsigned int) pcoin, setCoins)
{
    int64 nCredit = pcoin.first->vout[pcoin.second].nValue;
    //The priority after the next block (depth+1) is used instead of the current,
    //reflecting an assumption the user would accept a bit more delay for
    //a chance at a free transaction.
    dPriority += (double)nCredit * (pcoin.first->GetDepthInMainChain()+1)
}
...
dPriority /= nBytes;

5，计算找零，并创建新的找零钱包公钥，把找零加入到vOut中

 int64 nChange = nValueIn - nValue - nFeeRet;
 // if sub-cent change is required, the fee must be raised to at least nMinTxFee
 // or until nChange becomes zero
 // NOTE: this depends on the exact behaviour of GetMinFee
                
 if (nFeeRet < CTransaction::nMinTxFee && nChange > 0 && nChange < CENT)
 {
    int64 nMoveToFee = min(nChange, CTransaction::nMinTxFee - nFeeRet);
    nChange -= nMoveToFee;
    nFeeRet += nMoveToFee;
}

if (nChange > 0)
{
    // Note: We use a new key here to keep it from being obvious which side is the change.
    //  The drawback is that by not reusing a previous key, the change may be lost if a
    //  backup is restored, if the backup doesn't have the new private key for the change.
    //  If we reused the old key, it would be possible to add code to look for and
    //  rediscover unknown transactions that were written with keys of ours to recover
    //  post-backup change.

    // Reserve a new key pair from key pool
    CPubKey vchPubKey;
    assert(reservekey.GetReservedKey(vchPubKey)); // should never fail, as we just unlocked

    // Fill a vout to ourself
    // TODO: pass in scriptChange instead of reservekey so
    // change transaction isn't always pay-to-bitcoin-address
    // 构建找零的新的公钥
    CScript scriptChange;
    scriptChange.SetDestination(vchPubKey.GetID());

    CTxOut newTxOut(nChange, scriptChange);

    // Never create dust outputs; if we would, just
    // add the dust to the fee.
    if (newTxOut.IsDust())
    {
        nFeeRet += nChange;
        reservekey.ReturnKey();
    }
    else
    {
        // Insert change txn at random position:
        vector<CTxOut>::iterator position = wtxNew.vout.begin()+GetRandInt(wtxNew.vout.size()+1);
        wtxNew.vout.insert(position, newTxOut);
    }
}
else
    reservekey.ReturnKey();

6，签名，并计算交易费用，如果费用不满足条件，再重新进入循环，重复上述流程

// Fill vin
BOOST_FOREACH(const PAIRTYPE(const CWalletTx*,unsigned int)& coin, setCoins)
                    wtxNew.vin.push_back(CTxIn(coin.first->GetHash(),coin.second));

// Sign
int nIn = 0;
BOOST_FOREACH(const PAIRTYPE(const CWalletTx*,unsigned int)& coin, setCoins)
    if (!SignSignature(*this, *coin.first, wtxNew, nIn++))
    {
        strFailReason = _("Signing transaction failed");
        return false;
    }

// Limit size
unsigned int nBytes = ::GetSerializeSize(*(CTransaction*)&wtxNew, SER_NETWORK, PROTOCOL_VERSION);
if (nBytes >= MAX_STANDARD_TX_SIZE)
{
    strFailReason = _("Transaction too large");
    return false;
}
dPriority /= nBytes;

// Check that enough fee is included
int64 nPayFee = nTransactionFee * (1 + (int64)nBytes / 1000);
bool fAllowFree = CTransaction::AllowFree(dPriority);
int64 nMinFee = wtxNew.GetMinFee(1, fAllowFree, GMF_SEND);
if (nFeeRet < max(nPayFee, nMinFee))
{
    nFeeRet = max(nPayFee, nMinFee);
    continue;
}

7，填充好WalletTX的vIn和vOut后，用vIn的prevout来填充WalletTX的vtxPrev

// Fill vtxPrev by copying from previous transactions vtxPrev
wtxNew.AddSupportingTransactions();
wtxNew.fTimeReceivedIsTxTime = true;

0x02 粉尘交易Dust

前文我们已经讲过，比特币的交易并不是传统意义上的数字加减运算，它实质是utxo的转移。所以A向B转移1个BTC这个动作，产生的结果是未知的，比如就可以是1个完整的BTC转移，也有可能是1000个0.001个BTC的转移，也有可能是1.05个BTC转移（0.05个找零），当然用户不需要自己去手工配置，代码已经帮我们完成(下文的SelectCoin)，但有时候还是无法避免有dust交易的产生。dust的存在会造成区块链网络上DDOS攻击，攻击者通过发送许多这样小金额的交易，来堵塞整个网络。在比特币的网络中，如果交易费(Fee)用高于1/3的交易价值(Value)，则被视为粉尘交易。常规的来说，一个P2PKH交易，由于其最小体积时为一个输入，一个输出，总共 '148 + 34 = 182' 字节，而交易手续费是由每个节点配置的minRelayTxFee（比特币中默认为'0.00001BTC/KB'）决定的，故而手续费就是 '182 / 1000 * minRelayTxFee'，那么其的3倍即 '546 / 1000 * minRelayTxFee'，也即默认为 0.00000546 BTC，在BCH网络上也是一样的。

钱包在准备支付金额的时候有一个既定的规则，就是在众多输入（inputs）中筹备支付金额的时候尽量避免产生小于0.01BTC的金额变动（比如你要支付5.005BTC，钱包尽可能的选择3+2.005或者1+1+3.005，而不是5+0.005）。

Dust代码描述如下：

bool CTxOut::IsDust() const
{
    // "Dust" is defined in terms of CTransaction::nMinRelayTxFee,
    // which has units satoshis-per-kilobyte.
    // If you'd pay more than 1/3 in fees
    // to spend something, then we consider it dust.
    // A typical txout is 33 bytes big, and will
    // need a CTxIn of at least 148 bytes to spend,
    // so dust is a txout less than 54 uBTC
    // (5430 satoshis) with default nMinRelayTxFee
    return ((nValue*1000)/(3*((int)GetSerializeSize(SER_DISK,0)+148)) < CTransaction::nMinRelayTxFee);
}

0x03 交易费用计算Fee

数额越大、币龄（age）越高优先级越高

如果你发送金额太小或者是你的比特币刚开采出来不久，那么你的转账就不再免费之列。每一个交易都会分配一个优先级，这个优先级通过币的新旧程度、交易的字节数和交易的数量。具体来说，对于每一个输入（inputs）来讲，客户端会先将比特币的数量乘以这些币在块中存在的时间（币龄，age），然后将所有的乘积加起来除以此次交易的大小（以字节为单位），计算公式：priority = sum(input_value_in_base_units * input_age)/size_in_bytes，计算结果如果小于0.576，那么该交易就必须支付手续费。如果你确实大量的小额输入，又想免费转出，这时候你可以加一个数额大的、币龄大的比特币金额(多余的找零返回)，就会将平均优先级提高，从而可以免费转出比特币。
代码如下：

static bool AllowFree(double dPriority)
    {
        // Large (in bytes) low-priority (new, small-coin) transactions
        // need a fee.
        return dPriority > COIN * 144 / 250;
    }

在转账的最后客户端会检测本次转账的大小（以字节为单位），大小一般取决于输入和输出的数额大小。
如果该次转账的大小超过10000字节但是优先级符合免费的标准，那么仍然可以享受免费转账，否则需要支付手续费。没1000字节的费用默认是0.0001BTC，但是你也可以在客户端里进行追加，依次打开选项卡“设置>选项>主要”进行手续费的调整。
相关代码如下：

int64 CTransaction::GetMinFee(unsigned int nBlockSize, bool fAllowFree,
                              enum GetMinFee_mode mode) const
{
    // Base fee is either nMinTxFee or nMinRelayTxFee
    int64 nBaseFee = (mode == GMF_RELAY) ? nMinRelayTxFee : nMinTxFee;

    unsigned int nBytes = ::GetSerializeSize(*this, SER_NETWORK, PROTOCOL_VERSION);
    unsigned int nNewBlockSize = nBlockSize + nBytes;
    int64 nMinFee = (1 + (int64)nBytes / 1000) * nBaseFee;

    if (fAllowFree)
    {
        if (nBlockSize == 1)
        {
            // Transactions under 10K are free
            // (about 4500 BTC if made of 50 BTC inputs)
            if (nBytes < 10000)
                nMinFee = 0;
        }
        else
        {
            // Free transaction area
            if (nNewBlockSize < 27000)
                nMinFee = 0;
        }
    }

    // To limit dust spam, require base fee if any output is less than 0.01
    if (nMinFee < nBaseFee)
    {
        BOOST_FOREACH(const CTxOut& txout, vout)
            if (txout.nValue < CENT)
                nMinFee = nBaseFee;
    }

    // Raise the price as the block approaches full
    if (nBlockSize != 1 && nNewBlockSize >= MAX_BLOCK_SIZE_GEN/2)
    {
        if (nNewBlockSize >= MAX_BLOCK_SIZE_GEN)
            return MAX_MONEY;
        nMinFee *= MAX_BLOCK_SIZE_GEN / (MAX_BLOCK_SIZE_GEN - nNewBlockSize);
    }

    if (!MoneyRange(nMinFee))
        nMinFee = MAX_MONEY;
    return nMinFee;
}

0x04 寻找最佳utxo集合策略SelectCoins

这个函数比较有意思，我们先看下函数实现

bool CWallet::SelectCoins(int64 nTargetValue, set<pair<const CWalletTx*,unsigned int> >& setCoinsRet, int64& nValueRet) const
{
    vector<COutput> vCoins;
    AvailableCoins(vCoins);

    return (SelectCoinsMinConf(nTargetValue, 1, 6, vCoins, setCoinsRet, nValueRet) ||
            SelectCoinsMinConf(nTargetValue, 1, 1, vCoins, setCoinsRet, nValueRet) ||
            SelectCoinsMinConf(nTargetValue, 0, 1, vCoins, setCoinsRet, nValueRet));
}

先说一说函数的返回值和参数

返回值：成功找到TxIn的集合返回true，否则返回false
nTargetValue:目标金额
setCoinsRet：要返回的TxIn集合
nValueRet：实际金额（有可能包含找零）

AvailabeCoins通过在当前钱包视图中预过滤筛选出COutput的集合，筛选策略主要是判断当前的引用输入是否经过确认等。
下一步再来看看SelectCoinsMinConf这个函数，看到（1，6）,（1，1），（0，1）这样的硬编码顿时就有一种紧张感，还好参数的命名比较直观。这三次相同函数不同参数的函数调用，其实反映了一种选择策略，就是按照交易被区块链确认次数递减来扩大选择范围，转账给自己优先要用通过1次确认的，转给别人要优先用通过6次确认的。这就是为什么我们现在在交易所进行法币场外交易时，交易所作为第三方担保，一般会在交易经过6次甚至更多次确认后才会把法币打给转出方，这样实施双花恶意攻击就会难上加难。

再来说说SelectCoinsMinConf的策略：

1，如果存在某UTXO值正好等于发送金额nValue（已包含手续费nFee），则将该UTXO加入目标交易集并返回成功
2，找出账户中UTXO值小于发送金额nValue的UTXO集vValue，并将vValue中所有UTXO值求和为nTotalLower，并找出所有UTXO值大于nValue的最小值nLowestLarger，再分两种情况
2.1：nTotalLower小于nValue，如果nLowestLarger存在，则将该值对应的pcoinLowestLarger交易加入目标交易集并返回成功，如果nLowestLarger不存在，则说明“余额”不足，返回失败
2.2：nTotalLower大于nValue，则使用随进逼近法（最多1000次）找出UTXO值的和nBest最接近nValue的集合vfBest，看nBest和nLowestLarger（如果存在）谁更接近nValue，则选择谁为相应的目标UTXO集，并返回成功

代码如下：

bool CWallet::SelectCoinsMinConf(int64 nTargetValue, int nConfMine, int nConfTheirs, vector<COutput> vCoins,
                                 set<pair<const CWalletTx*,unsigned int> >& setCoinsRet, int64& nValueRet) const
{
    setCoinsRet.clear();
    nValueRet = 0;

    // List of values less than target
    pair<int64, pair<const CWalletTx*,unsigned int> > coinLowestLarger;
    coinLowestLarger.first = std::numeric_limits<int64>::max();
    coinLowestLarger.second.first = NULL;
    vector<pair<int64, pair<const CWalletTx*,unsigned int> > > vValue;
    int64 nTotalLower = 0;

    random_shuffle(vCoins.begin(), vCoins.end(), GetRandInt);

    BOOST_FOREACH(COutput output, vCoins)
    {
        const CWalletTx *pcoin = output.tx;

        if (output.nDepth < (pcoin->IsFromMe() ? nConfMine : nConfTheirs))
            continue;

        int i = output.i;
        int64 n = pcoin->vout[i].nValue;

        pair<int64,pair<const CWalletTx*,unsigned int> > coin = make_pair(n,make_pair(pcoin, i));

        if (n == nTargetValue)
        {
            setCoinsRet.insert(coin.second);
            nValueRet += coin.first;
            return true;
        }
        else if (n < nTargetValue + CENT)
        {
            vValue.push_back(coin);
            nTotalLower += n;
        }
        else if (n < coinLowestLarger.first)
        {
            coinLowestLarger = coin;
        }
    }

    if (nTotalLower == nTargetValue)
    {
        for (unsigned int i = 0; i < vValue.size(); ++i)
        {
            setCoinsRet.insert(vValue[i].second);
            nValueRet += vValue[i].first;
        }
        return true;
    }

    if (nTotalLower < nTargetValue)
    {
        if (coinLowestLarger.second.first == NULL)
            return false;
        setCoinsRet.insert(coinLowestLarger.second);
        nValueRet += coinLowestLarger.first;
        return true;
    }

    // Solve subset sum by stochastic approximation
    sort(vValue.rbegin(), vValue.rend(), CompareValueOnly());
    vector<char> vfBest;
    int64 nBest;

    ApproximateBestSubset(vValue, nTotalLower, nTargetValue, vfBest, nBest, 1000);
    if (nBest != nTargetValue && nTotalLower >= nTargetValue + CENT)
        ApproximateBestSubset(vValue, nTotalLower, nTargetValue + CENT, vfBest, nBest, 1000);

    // If we have a bigger coin and (either the stochastic approximation didn't find a good solution,
    //                                   or the next bigger coin is closer), return the bigger coin
    if (coinLowestLarger.second.first &&
        ((nBest != nTargetValue && nBest < nTargetValue + CENT) || coinLowestLarger.first <= nBest))
    {
        setCoinsRet.insert(coinLowestLarger.second);
        nValueRet += coinLowestLarger.first;
    }
    else {
        for (unsigned int i = 0; i < vValue.size(); i++)
            if (vfBest[i])
            {
                setCoinsRet.insert(vValue[i].second);
                nValueRet += vValue[i].first;
            }

        //// debug print
        printf("SelectCoins() best subset: ");
        for (unsigned int i = 0; i < vValue.size(); i++)
            if (vfBest[i])
                printf("%s ", FormatMoney(vValue[i].first).c_str());
        printf("total %s\n", FormatMoney(nBest).c_str());
    }

    return true;
}

0x05 总结

从上面分析来看，交易的流程主要就是创建交易输出vOut，以及寻找到交易输入vIn，然后配置上gas，广播到网络节点中去。比特币的交易模块是整个区块链技术体系中比较重要的部分，也是比较晦涩难懂的部分，值得花上一些时间细细品读。由于本人水平有限，文中难免有理解不透的地方，还请大家多多指教！

网友Black在我学习的过程中给出了大量的指点和帮助，特此感谢！

本文由区块链研习社源码研读班@Hefe原创，转载请注明出处！

参考：

1，http://www.btc38.com/btc/btc_learning/220.html
2，https://zhuanlan.zhihu.com/p/43203734

比特币源码研读--交易细节

0x00 读码即挖矿

0x01 函数CreateTransaction

0x02 粉尘交易Dust

0x03 交易费用计算Fee

0x04 寻找最佳utxo集合策略SelectCoins

0x05 总结

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