python区块链简易版交易完善挖矿奖励怎么实现

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奖励

挖矿奖励，实际上就是一笔 coinbase 交易。当一个挖矿节点开始挖出一个新块时，它会将交易从队列中取出，并在前面附加一笔 coinbase 交易。coinbase 交易只有一个输出，里面包含了矿工的公钥哈希。

实现奖励，非常简单，更新 send 即可：

def add_block(self, transactions):
    """
    add a block to block_chain
    """
    last_block = self.get_last_block()
    prev_hash = last_block.get_header_hash()
    height = last_block.block_header.height + 1
    block_header = BlockHeader('', height, prev_hash)
    # reward to wallets[0]
    wallets = Wallets()
    keys = list(wallets.wallets.keys())
    w = wallets[keys[0]]
    coin_base_tx = self.coin_base_tx(w.address)
    transactions.insert(0, coin_base_tx)
    block = Block(block_header, transactions)
    block.mine(self)
    block.set_header_hash()
    self.db.create(block.block_header.hash, block.serialize())
    last_hash = block.block_header.hash
    self.set_last_hash(last_hash)
    utxo = UTXOSet()
    utxo.update(block)

奖励给当前钱包的第一个地址。

UTXO 集

在 Part 3: 持久化和命令行接口 中，我们研究了 Bitcoin Core 是如何在一个数据库中存储块的，并且了解到区块被存储在 blocks 数据库，交易输出被存储在 chainstate 数据库。会回顾一下 chainstate 的机构：

c + 32 字节的交易哈希 -> 该笔交易的未花费交易输出记录

B + 32 字节的块哈希 -> 未花费交易输出的块哈希

在之前那篇文章中，虽然我们已经实现了交易，但是并没有使用 chainstate 来存储交易的输出。所以，接下来我们继续完成这部分。

chainstate 不存储交易。它所存储的是 UTXO 集，也就是未花费交易输出的集合。除此以外，它还存储了“数据库表示的未花费交易输出的块哈希”，不过我们会暂时略过块哈希这一点，因为我们还没有用到块高度（但是我们会在接下来的文章中继续改进）。

那么，我们为什么需要 UTXO 集呢？

来思考一下我们早先实现的 Blockchain._find_unspent_transactions 方法：

def _find_unspent_transactions(self, address):
    """
    Find all unspent transactions
    """
    spent_txos = {}
    unspent_txs = {}
    last_block = self.get_last_block()
    last_height = last_block.block_header.height
    # Reverse
    for height in range(last_height, -1, -1):
        block = self.get_block_by_height(height)
        for tx in block.transactions:
            txid = tx.txid
            # all outputs
            for vout_index, vout in enumerate(tx.vouts):
                txos = spent_txos.get(txid, [])
                # vout_index is spent
                if vout_index in txos:
                    continue
                if vout.can_unlock_output_with(address):
                    old_vouts = unspent_txs.get(tx, [])
                    old_vouts.append(vout)
                    unspent_txs[tx] = old_vouts
            if not tx.is_coinbase():
                for vin in tx.vins:
                    if vin.can_be_unlocked_with(address):
                        txid_vouts = spent_txos.get(txid, [])
                        txid_vouts.append(vin.vout)
                        spent_txos[vin.txid] = txid_vouts
    return unspent_txs

这个函数找到有未花费输出的交易。由于交易被保存在区块中，所以它会对区块链里面的每一个区块进行迭代，检查里面的每一笔交易。截止 2017 年 9 月 18 日，在比特币中已经有 485，860 个块，整个数据库所需磁盘空间超过 140 Gb。这意味着一个人如果想要验证交易，必须要运行一个全节点。此外，验证交易将会需要在许多块上进行迭代。
整个问题的解决方案是有一个仅有未花费输出的索引，这就是 UTXO 集要做的事情：这是一个从所有区块链交易中构建（对区块进行迭代，但是只须做一次）而来的缓存，然后用它来计算余额和验证新的交易。截止 2017 年 9 月，UTXO 集大概有 2.7 Gb。

好了，让我们来想一下实现 UTXO 集的话需要作出哪些改变。目前，找到交易用到了以下一些方法：

• Blockchain._find_unspent_transactions - 找到有未花费输出交易的主要函数。也是在这个函数里面会对所有区块进行迭代。

• Blockchain._find_spendable_outputs - 这个函数用于当一个新的交易创建的时候。如果找到有所需数量的输出。使用 Blockchain._find_unspent_transactions.

• Blockchain.find_UTXO - 找到一个公钥哈希的未花费输出，然后用来获取余额。使用 Blockchain._find_unspent_transactions.

• Blockchain.FindTransation - 根据 ID 在区块链中找到一笔交易。它会在所有块上进行迭代直到找到它。

可以看到，所有方法都对数据库中的所有块进行迭代。但是目前我们还没有改进所有方法，因为 UTXO 集没法存储所有交易，只会存储那些有未花费输出的交易。因此，它无法用于 Blockchain.FindTransaction。

所以，我们想要以下方法：

• Blockchain.find_UTXO - 通过对区块进行迭代找到所有未花费输出。

• UTXOSet.reindex - 使用 UTXO 找到未花费输出，然后在数据库中进行存储。这里就是缓存的地方。

• UTXOSet._find_spendable_outputs - 类似 Blockchain._find_spendable_outputs，但是使用 UTXO 集。

• UTXOSet.find_UTXO - 类似 Blockchain.find_UTXO，但是使用 UTXO 集。

• Blockchain.find_transaction 跟之前一样。

因此，从现在开始，两个最常用的函数将会使用 cache！来开始写代码吧。

class UTXOSet(Singleton):
    FLAG = 'UTXO'
    def __init__(self, db_url='http://127.0.0.1:5984'):
        self.db = DB(db_url)

这里使用一个FLAG来区分普通区块和UTXO。

def reindex(self, bc):
    key = self.FLAG + "l"
    last_block = bc.get_last_block()
    if key not in self.db:
        utxos = bc.find_UTXO()
        for txid, index_vouts in utxos.items():
            key = self.FLAG + txid
            # outs = []
            for index_vout in index_vouts:
                vout = index_vout[1]
                index = index_vout[0]
                vout_dict = vout.serialize()
                vout_dict.update({"index": index})
                tmp_key = key + "-"+str(index)
                try:
                    self.db.create(tmp_key, vout_dict)
                except ResourceConflict as e:
                    print(e)
        if not last_block:
            return
        self.set_last_height(last_block.block_header.height)
    else:
        utxo_last_height = self.get_last_height()
        last_block_height = last_block.block_header.height
        for i in range(utxo_last_height, last_block_height):
            block = bc.get_block_by_height(i)
            self.update(block)

这个方法首先判断是否已经构建过UTXO集，如果没有构建过就从头开始构建UTXO集，如果已经构建过了，就把当前UTXO的区块至最新的区块进行更新。
Blockchain.FindUTXO 几乎跟 Blockchain.FindUnspentTransactions 一模一样，但是现在它返回了一个 TransactionID -> TransactionOutputs 的 map。

现在，UTXO 集可以用于发送币：

def find_spendable_outputs(self, address, amount):
    utxos = self.find_utxo(address)
    accumulated = 0
    spendable_utxos = []
    for ftxo in utxos:
        output = ftxo.txoutput
        accumulated += output.value
        spendable_utxos.append(ftxo)
        if accumulated >= amount:
            break
    return accumulated, spendable_utxos

或者检查余额：

def find_utxo(self, address):
    query = {
        "selector": {
            "_id": {
                "$regex": "^UTXO"
            },
            "pub_key_hash": address
        }
    }
    docs = self.db.find(query)
    utxos = []
    for doc in docs:
        index = doc.get("index", None)
        if index is None:
            continue
        doc_id = doc.id
        txid_index_str = doc_id.replace(self.FLAG, "")
        _flag_index = txid_index_str.find("-")
        txid = txid_index_str[:_flag_index]
        ftxo = FullTXOutput(txid, TXOutput.deserialize(doc), index)
        utxos.append(ftxo)
    return utxos

有了 UTXO 集，也就意味着我们的数据（交易）现在已经被分开存储：实际交易被存储在区块链中，未花费输出被存储在 UTXO 集中。这样一来，我们就需要一个良好的同步机制，因为我们想要 UTXO 集时刻处于最新状态，并且存储最新交易的输出。但是我们不想每生成一个新块，就重新生成索引，因为这正是我们要极力避免的频繁区块链扫描。因此，我们需要一个机制来更新 UTXO 集：

def update(self, block):
    for tx in block.transactions:
        txid = tx.txid
        key = self.FLAG + txid
        # add uxto
        for vout_index, vout in enumerate(tx.vouts):
            vout_dict = vout.serialize()
            vout_dict.update({"index": vout_index})
            tmp_key = key + "-" +str(vout_index)
            try:
                self.db.create(tmp_key, vout_dict)
            except ResourceConflict as e:
                print(e)
        # vins delete used utxo
        for vin in tx.vins:
            vin_txid = vin.txid
            key = self.FLAG + vin_txid + "-" +str(vin.vout)
            doc = self.db.get(key)
            if not doc:
                continue
            try:
                self.db.delete(doc)
            except ResourceNotFound as e:
                print(e)
    self.set_last_height(block.block_header.height)

虽然这个方法看起来有点复杂，但是它所要做的事情非常直观。当挖出一个新块时，应该更新 UTXO 集。更新意味着移除已花费输出，并从新挖出来的交易中加入未花费输出。如果一笔交易的输出被移除，并且不再包含任何输出，那么这笔交易也应该被移除。相当简单！

# 创建创世块
$python3 main.py
<wallet.Wallet object at 0x0000010AED8276A0> <wallet.Wallet object at 0x0000010AED827940>
19RUj6zvbrAXNnEtkuric5pYQJTkZy57nc 17AEyyKbeoEbfMa3jS8Uji6tVG37DrTJN9
Mining a new block
Found nonce == 53ash_hex == 0adfd71d90955ad9219871d8abe03ae83ef9f1f13f9a141ef6ca0ce2d16c93af
('conflict', 'Document update conflict.')
Block(_block_header=BlockHeader(timestamp='1551246051.6814992', hash_merkle_root='1f6cf2e68e8ab0dda1cc1550f85b4df85b83db3cc3af262b26a5a306121725be', prev_block_hash='', hash='ef20a87f2edc8589e813be60d534e736f51c45a3ec94e1918c18bce057afc89d', nonce=None, height=0))
Block(_block_header=BlockHeader(timestamp='1551246052.0582814', hash_merkle_root='3cf2c8514fdaac0cb2b6502f72cf267bcf9966042be28ee48eff61e4695a90f2', prev_block_hash='ef20a87f2edc8589e813be60d534e736f51c45a3ec94e1918c18bce057afc89d', hash='b0bdedf26575722a7efdf94db7dfa60c1c4dfe1483529ff04dd553d6828de718', nonce=53, height=1))
# 转账
$python3 cli.py send --from 19RUj6zvbrAXNnEtkuric5pYQJTkZy57nc --to 17AEyyKbeoEbfMa3jS8Uji6tVG37DrTJN9 --amount 10
Mining a new block
Found nonce == 20ash_hex == 07e91245d4e66b66279224980b0325c37d2f2e54a75402bdcd8fe55346cb3dcb
send 10 from 19RUj6zvbrAXNnEtkuric5pYQJTkZy57nc to 17AEyyKbeoEbfMa3jS8Uji6tVG37DrTJN9
# 查询余额
$python3 cli.py balance 19RUj6zvbrAXNnEtkuric5pYQJTkZy57nc
19RUj6zvbrAXNnEtkuric5pYQJTkZy57nc balance is 1980

一切工作正常， 19RUj6zvbrAXNnEtkuric5pYQJTkZy57nc收到了创世块和转账的奖励2000个，转账了两次一共使用了20个，剩余1980个。

Merkle 树

在这篇文章中，我还想要再讨论一个优化机制。

上如上面所提到的，完整的比特币数据库（也就是区块链）需要超过 140 Gb 的磁盘空间。因为比特币的去中心化特性，网络中的每个节点必须是独立，自给自足的，也就是每个节点必须存储一个区块链的完整副本。随着越来越多的人使用比特币，这条规则变得越来越难以遵守：因为不太可能每个人都去运行一个全节点。并且，由于节点是网络中的完全参与者，它们负有相关责任：节点必须验证交易和区块。另外，要想与其他节点交互和下载新块，也有一定的网络流量需求。

在中本聪的 比特币原始论文 中，对这个问题也有一个解决方案：简易支付验证（Simplified Payment Verification, SPV）。SPV 是一个比特币轻节点，它不需要下载整个区块链，也不需要验证区块和交易。相反，它会在区块链查找交易（为了验证支付），并且需要连接到一个全节点来检索必要的数据。这个机制允许在仅运行一个全节点的情况下有多个轻钱包。

为了实现 SPV，需要有一个方式来检查是否一个区块包含了某笔交易，而无须下载整个区块。这就是 Merkle 树所要完成的事情。

比特币用 Merkle 树来获取交易哈希，哈希被保存在区块头中，并会用于工作量证明系统。到目前为止，我们只是将一个块里面的每笔交易哈希连接了起来，将在上面应用了 SHA-256 算法。虽然这是一个用于获取区块交易唯一表示的一个不错的途径，但是它没有利用到 Merkle 树。

来看一下 Merkle 树：

每个块都会有一个 Merkle 树，它从叶子节点（树的底部）开始，一个叶子节点就是一个交易哈希（比特币使用双 SHA256 哈希）。叶子节点的数量如果不是双数，就只取单个数据的hash。

从下往上，两两成对，连接两个节点哈希，将组合哈希作为新的哈希。新的哈希就成为新的树节点。重复该过程，直到仅有一个节点，也就是树根。根哈希然后就会当做是整个块交易的唯一标示，将它保存到区块头，然后用于工作量证明。

Merkle 树的好处就是一个节点可以在不下载整个块的情况下，验证是否包含某笔交易。并且这些只需要一个交易哈希，一个 Merkle 树根哈希和一个 Merkle 路径。

因为存在叶子节点为双数，但是第二层为单数的情况，会导致原版代码出现索引越界的情况。

实现代码如下：

class MerkleNode(object):
    def __init__(self, left_node, right_node, data):
        self.left = left_node
        self.right = right_node
        if not self.left and not self.right:
            self.data = sum256_hex(data)
        else:
            data = self.left.data + self.right.data
            self.data = sum256_hex(data)
class MerkleTree(object):
    def __init__(self, datas):
        nodes = []
        for data_item in datas:
            node = MerkleNode(None, None, data_item)
            nodes.append(node)
        for _ in range(len(datas)//2):
            new_level = []
            for j in range(0, len(nodes), 2):
                if j + 1 >= len(nodes):
                    node = MerkleNode(nodes[j], "", None)
                else:
                    node = MerkleNode(nodes[j], nodes[j+1], None)
                new_level.append(node)
            nodes = new_level
        self.root_node = nodes[0]
    @property
    def root_hash(self):
        return self.root_node.data

如果最后只有单个节点，那么就将另一个数据置空，只计算一个数据的哈希。

if j + 1 >= len(nodes):
    node = MerkleNode(nodes[j], "", None)

根节点的data域就是哈希。

@property
def root_hash(self):
    return self.root_node.data

P2PKH

还有一件事情，我想要再谈一谈。

大家应该还记得，在比特币中有一个 *脚本（Script）*编程语言，它用于锁定交易输出；交易输入提供了解锁输出的数据。这个语言非常简单，用这个语言写的代码其实就是一系列数据和操作符而已。比如如下示例：

5 2 OP_ADD 7 OP_EQUAL

5, 2, 和 7 是数据，OP_ADD 和 OP_EQUAL 是操作符。脚本代码从左到右执行：将数据依次放入栈内，当遇到操作符时，就从栈内取出数据，并将操作符作用于数据，然后将结果作为栈顶元素。脚本的栈，实际上就是一个先进后出的内存存储：栈里的第一个元素最后一个取出，后面的每一个元素都会放到前一个元素之上。

让我们来对上面的脚本分部执行：

OP_ADD 从栈内取两个元素，将这两个元素进行相加，然后将结果重新放回栈内。OP_EQUAL 从栈内取两个元素，然后对这两个元素进行比较：如果它们相等，就在栈上放一个 true，否则放一个 false。脚本执行的结果就是栈顶元素：在我们的案例中，如果是 true，那么表明脚本执行成功。

现在来看一下在比特币中，是如何用脚本执行支付的：

<signature> <pubKey> OP_DUP OP_HASH160 <pubKeyHash> OP_EQUALVERIFY OP_CHECKSIG

这个脚本叫做 Pay to Public Key Hash(P2PKH)，这是比特币最常用的一个脚本。它所做的事情就是向一个公钥哈希支付，也就是说，用某一个公钥锁定一些币。这是比特币支付的核心：没有账户，没有资金转移；只有一个脚本检查提供的签名和公钥是否正确。

这个脚本实际存储为两个部分：

第一个部分，<signature> <pubkey>，存储在输入的 ScriptSig 字段。

第二部分，OP_DUP OP_HASH160 <pubkeyHash> OP_EQUALVERYFY OP_CHECKSIG 存储在输出的 ScriptPubKey 里面。

因此，输出定了解锁的逻辑，输入提供解锁输出的“钥匙”。然我们来执行一下这个脚本：

OP_DUP 对栈顶元素进行复制。OP_HASH160 取栈顶元素，然后用 RIPEMD160 对它进行哈希，再将结果送回到栈上。OP_EQUALVERIFY 将栈顶的两个元素进行比较，如果它们不相等，终止脚本。OP_CHECKSIG 通过对交易进行哈希，并使用 <signature> 和 pubKey 来验证一笔交易的签名。最后的操作符有点复杂：它生成了一个修剪后的交易副本，对它进行哈希（因为它是一个被签名后的交易哈希），然后使用提供的 <signature> 和 pubKey 检查签名是否正确。

有了一个这样的脚本语言，实际上也可以让比特币成为一个智能合约平台：除了将一个单一的公钥转移资金，这个语言还使得一些其他的支付方案成为可能。

感谢各位的阅读，以上就是“python区块链简易版交易完善挖矿奖励怎么实现”的内容了，经过本文的学习后，相信大家对python区块链简易版交易完善挖矿奖励怎么实现这一问题有了更深刻的体会，具体使用情况还需要大家实践验证。这里是亿速云，小编将为大家推送更多相关知识点的文章，欢迎关注！