# 前言 前面为了转账，需要迭代整个区块链，查找未花费的输出，这要求发起交易者必须运行一个全节点，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。这是非常困难的。 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，但是只须在创建区块链时候做一次）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，远小于整个节点。 # 顺便实现下挖矿奖励 我们的区块链由交易发起者自行完成挖矿，所以奖励给到交易发起者即可。 挖矿奖励，实际上就是一笔 coinbase 交易。 ~~~ func (cli *CLI) send(from, to string, amount int) { ... bc := NewBlockchain() UTXOSet := UTXOSet{bc} defer bc.db.Close() tx := NewUTXOTransaction(from, to, amount, &UTXOSet) cbTx := NewCoinbaseTX(from, "")//创建一个coninbase交易，给from发送一个固定数量的奖励。 txs := []*Transaction{cbTx, tx}//将coninbase交易和实际交易打包到一起 newBlock := bc.MineBlock(txs)//挖矿 fmt.Println("交易成功!") } ~~~ >bitcoin的挖矿由专职矿工完成。交易发起者将交易丢进交易池中，矿工从交易池中取出一部分交易，打包挖矿，获得奖励。奖励币数量是不固定的。 # 实现UTXO UTXO集定义 ~~~ type UTXOSet struct { Blockchain *Blockchain } ~~~ UTXO元素是一个区块链Blockchain的引用 ## 取得UTXO并存储到新的bucket中 ~~~ func (u UTXOSet) Reindex() { db := u.Blockchain.Db//与区块链使用相同的数据库 bucketName := []byte(utxoBucket)//新的bucket err := db.Update(func(tx *bolt.Tx) error { err := tx.DeleteBucket(bucketName)//如果存在，则删除 _, err = tx.CreateBucket(bucketName)//创建新的bucket }) UTXO := u.Blockchain.FindUTXO()//获得所有未花费输出 err = db.Update(func(tx *bolt.Tx) error { b := tx.Bucket(bucketName) for txID, outs := range UTXO { key, err := hex.DecodeString(txID) err = b.Put(key, outs.Serialize())//将交易ID-输出存储到bucket } }) } ~~~ 这个方法仅仅在区块链新建完成后，唯一一次被调用：当一个新的区块链被创建以后，就会立刻进行重建索引。 ~~~ func (cli *CLI) createBlockchain(address string) { ... bc := CreateBlockchain(address) defer bc.db.Close() UTXOSet := UTXOSet{bc} UTXOSet.Reindex() ... } ~~~ ## 转账的新方式~~~ func (u UTXOSet) FindSpendableOutputs(pubkeyHash []byte, amount int) (int, map[string][]int) { unspentOutputs := make(map[string][]int) accumulated := 0 db := u.Blockchain.Db err := db.View(func(tx *bolt.Tx) error { b := tx.Bucket([]byte(utxoBucket))//从bucket中读取UTXO集 c := b.Cursor() for k, v := c.First(); k != nil; k, v = c.Next() {//循环UTXO集 txID := hex.EncodeToString(k) outs := DeserializeOutputs(v) for outIdx, out := range outs.Outputs { if out.IsLockedWithKey(pubkeyHash) && accumulated < amount { accumulated += out.Value unspentOutputs[txID] = append(unspentOutputs[txID], outIdx) } } } }) return accumulated, unspentOutputs } ~~~ ## 查询余额的新方式 ~~~ func (u UTXOSet) FindUTXO(pubKeyHash []byte) []TXOutput { var UTXOs []TXOutput db := u.Blockchain.Db err := db.View(func(tx *bolt.Tx) error { b := tx.Bucket([]byte(utxoBucket))//从bucket中读取UTXO集 c := b.Cursor() for k, v := c.First(); k != nil; k, v = c.Next() {//循环UTXO集 outs := DeserializeOutputs(v) for _, out := range outs.Outputs { if out.IsLockedWithKey(pubKeyHash) { UTXOs = append(UTXOs, out) } } } return nil }) return UTXOs } ~~~ ## 同步机制 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。 ~~~ ~~~ func (u UTXOSet) Update(block *Block) {//block为挖出的新区块 db := u.Blockchain.db err := db.Update(func(tx *bolt.Tx) error { b := tx.Bucket([]byte(utxoBucket)) for _, tx := range block.Transactions {//迭代新区块里面的所有交易 if tx.IsCoinbase() == false {//coinbase交易不更新到UTXO集中？那么挖矿奖励金怎么办？ for _, vin := range tx.Vin { updatedOuts := TXOutputs{}//交易ID为vin.Txid的新的UTXO，将替换原来数据库中交易ID为vin.Txid的UTXO outsBytes := b.Get(vin.Txid)//从数据库读取的UTXO集中获得被包含到输入的输出交易ID，一个vin中只有一个输出索引 outs := DeserializeOutputs(outsBytes) for outIdx, out := range outs.Outputs {//迭代数据库该交易的所有索引的输出。输出集合可能有多个索引对应的输出 if outIdx != vin.Vout { //如果某条索引对于的输出没有被包含在输入中，加入到新的最终输出集合中。 //注意，包含到输入中输出最小单位是输出的某条索引对应的输出（索引从0开始） updatedOuts.Outputs = append(updatedOuts.Outputs, out)//加入到新的已经花费的输出组中 } } if len(updatedOuts.Outputs) == 0 { //一个交易ID为vin.Txid的交易完成后，交易的输出索引对应的输出将被移除，如果结果是，该交易不再包含任何输出， //那么这笔交易的输出应该被直接从UTXO数据库中移除（UTXO链没有必要留着空的节点）。 err := b.Delete(vin.Txid) } else { //如果交易ID为vin.Txid的交易在完成后，仍然有输出，则更新到数据库，替换该交易原来的UTXO集合 err := b.Put(vin.Txid, updatedOuts.Serialize()) } } } //当然，交易将产生新的输出，直接加入到UTXO中即可 newOutputs := TXOutputs{} for _, out := range tx.Vout {//迭代Vout，获得输出索引对应的输出 newOutputs.Outputs = append(newOutputs.Outputs, out) } err := b.Put(tx.ID, newOutputs.Serialize())//tx.ID为当前交易的ID } }) } ~~~ # Merkle树实现 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](https://link.jianshu.com/?t=https://bitcoin.org/bitcoin.pdf)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。这个机制允许在全网只运行一个全节点的情况下有多个轻节点（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。 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当前交易哈希，一个 Merkle 树根哈希和一个 Merkle 路径（向全网请求获得路径），然后本地计算，即可检查是否包含了某笔交易。 # 运行检验 ## 转账  转账结果：  之所以转账后from的币数量是17，是因为转账挖矿奖励10币，加上转账余额7币，一共17个币。 ## 打印区块链  # 优化Findtranaction 在很多场合需要根据交易ID，查找交易，函数Findtrasaction功能即如此。 为此，我们将<tx.ID,block.Hash>保存到数据库，这样，我们通过数据库表utxoBlockBucket的key（tx.ID）可以查询到block的ID，然后通过blocksBucket的Get，可以快速获得交易。（原来是通过迭代blockchain来完成，效率很低）。这样，也为后面轻节点通过网络请求得到交易留下优化空间。 优化之后，节点仍然需要下载整个区块链，才能查询到交易。 ## 表 const utxoBlockBucket = "chainstate\_blockid2tx" ## 修改Reindex  将UTXO和UTXOBlock都写入数据库 ## 修改同步函数  更新UTXO的同时，同步UTXOBlock ## 修改FindtransactionForUTXO  ## 修改其它代码