2.1_Transaction_交易_电子货币的定义.ipynb

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    "# 2.1 交易（Transactions）—— 电子货币的定义"
   ]
  },
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   "source": [
    "## 原文与翻译\n",
    "\n",
    ">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.\n",
    ">\n",
    ">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。\n",
    ">\n",
    ">![论文原图](pics/transactions.png)"
   ]
  },
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   "source": [
    "## 重要概念解析\n",
    "\n",
    "- **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」。\n",
    "\n",
    "  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。"
   ]
  },
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   "source": [
    "【Python 知识点】点击链接跳转至《自学是门手艺》相应知识点\n",
    "- [值](https://github.com/selfteaching/the-craft-of-selfteaching/blob/master/Part.1.E.2.values-and-their-operators.ipynb)\n",
    "- [函数](https://github.com/selfteaching/the-craft-of-selfteaching/blob/master/Part.1.E.4.functions.ipynb)\n",
    "- [字符串](https://github.com/selfteaching/the-craft-of-selfteaching/blob/master/Part.1.E.5.strings.ipynb)"
   ]
  },
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   "outputs": [
    {
     "name": "stdout",
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     "text": [
      "hash value by md5: 30de5ca0ebc1445481523cf6b9c4b319c45a7fec375c26ee7d8d418a4abe8720\n",
      "hash value by sha256: e3b0c44298fc1c149afbf4c8996fb92427ae41e4649b934ca495991b7852b855\n"
     ]
    }
   ],
   "source": [
    "# 试试自己生成 hash\n",
    "# -*- encoding: utf-8 -*-\n",
    "import random\n",
    "\n",
    "hash = random.getrandbits(256) # md5 哈希算法\n",
    "\n",
    "print(\"hash value by md5: %032x\" % hash)\n",
    "\n",
    "import hashlib\n",
    "\n",
    "str_a = \"shatoshi\" # sha256 算法，bitcoin所使用的哈希算法之一\n",
    "\n",
    "print(\"hash value by sha256: %s\" % hashlib.sha256().hexdigest())"
   ]
  },
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   "source": [
    "- **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。\n",
    "\n",
    "> 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。\n",
    ">\n",
    "> ——[RSA的公钥和私钥到底哪个才是用来加密和哪个用来解密？](https://www.zhihu.com/question/25912483/answer/46649199)"
   ]
  },
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   "source": [
    "## ↓↓↓以下内容为进阶知识 入门可略过↓↓↓"
   ]
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   "source": [
    "## ECDSA 与 Secp256k1\n",
    "\n",
    "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？\n",
    "\n",
    "- [**ECDSA**](https://en.bitcoin.it/wiki/Elliptic_Curve_Digital_Signature_Algorithm)\n",
    "\n",
    "  > 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.\n",
    "    \n",
    "  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。\n",
    "    \n",
    "  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。\n",
    "    \n",
    "  **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。\n",
    "    \n",
    "    \n",
    "- [**Secp256k1**](https://en.bitcoin.it/wiki/Secp256k1)\n",
    "  \n",
    "  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」。\n",
    "  \n",
    "下面，将用 Python 版本的 ECDSA 库来演示 Secp256k1 的签名 / 验证过程。 "
   ]
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   "outputs": [
    {
     "name": "stdout",
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     "text": [
      "sk hex is 2de61f4440cb795a80fdfd4959001e95df3874f858e51e9a26fa8d5a362bbb82, len is 64\n",
      "vk hex is f1b3ffe40966091c2571652aba93924be80860680e569e8ee5d712c42b96ee9b79369f3c7a2e80aa68e52acde73a42b8bf341cb5a1b8a1ca441fe7aca3a3578a, len is 128\n",
      "sig hex is dfe7cf7103a3fbc8c4508f955888ff87c6307050055176a48d4714b7722e1d6c9ce39e5469ea1e493ad60061468057d4ca4483e6caa8833cc7703a9ace2f8232, len is 128\n",
      "True\n"
     ]
    },
    {
     "ename": "BadSignatureError",
     "evalue": "",
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     "traceback": [
      "\u001b[0;31m---------------------------------------------------------------------------\u001b[0m",
      "\u001b[0;31mBadSignatureError\u001b[0m                         Traceback (most recent call last)",
      "\u001b[0;32m<ipython-input-2-85fbbe802489>\u001b[0m in \u001b[0;36m<module>\u001b[0;34m\u001b[0m\n\u001b[1;32m     20\u001b[0m \u001b[0;31m# 验证钥验证签名\u001b[0m\u001b[0;34m\u001b[0m\u001b[0;34m\u001b[0m\u001b[0;34m\u001b[0m\u001b[0m\n\u001b[1;32m     21\u001b[0m \u001b[0mprint\u001b[0m\u001b[0;34m(\u001b[0m\u001b[0mverifing_key\u001b[0m\u001b[0;34m.\u001b[0m\u001b[0mverify\u001b[0m\u001b[0;34m(\u001b[0m\u001b[0msignature\u001b[0m\u001b[0;34m,\u001b[0m \u001b[0;34mb'shatoshi'\u001b[0m\u001b[0;34m)\u001b[0m\u001b[0;34m)\u001b[0m\u001b[0;34m\u001b[0m\u001b[0;34m\u001b[0m\u001b[0m\n\u001b[0;32m---> 22\u001b[0;31m \u001b[0mverifing_key\u001b[0m\u001b[0;34m.\u001b[0m\u001b[0mverify\u001b[0m\u001b[0;34m(\u001b[0m\u001b[0msignature\u001b[0m\u001b[0;34m,\u001b[0m \u001b[0;34mb'batoshi'\u001b[0m\u001b[0;34m)\u001b[0m \u001b[0;31m# 错误的签名导致错误抛出\u001b[0m\u001b[0;34m\u001b[0m\u001b[0;34m\u001b[0m\u001b[0m\n\u001b[0m",
      "\u001b[0;32m/usr/local/lib/python3.7/site-packages/ecdsa/keys.py\u001b[0m in \u001b[0;36mverify\u001b[0;34m(self, signature, data, hashfunc, sigdecode)\u001b[0m\n\u001b[1;32m     99\u001b[0m         \u001b[0mhashfunc\u001b[0m \u001b[0;34m=\u001b[0m \u001b[0mhashfunc\u001b[0m \u001b[0;32mor\u001b[0m \u001b[0mself\u001b[0m\u001b[0;34m.\u001b[0m\u001b[0mdefault_hashfunc\u001b[0m\u001b[0;34m\u001b[0m\u001b[0;34m\u001b[0m\u001b[0m\n\u001b[1;32m    100\u001b[0m         \u001b[0mdigest\u001b[0m \u001b[0;34m=\u001b[0m \u001b[0mhashfunc\u001b[0m\u001b[0;34m(\u001b[0m\u001b[0mdata\u001b[0m\u001b[0;34m)\u001b[0m\u001b[0;34m.\u001b[0m\u001b[0mdigest\u001b[0m\u001b[0;34m(\u001b[0m\u001b[0;34m)\u001b[0m\u001b[0;34m\u001b[0m\u001b[0;34m\u001b[0m\u001b[0m\n\u001b[0;32m--> 101\u001b[0;31m         \u001b[0;32mreturn\u001b[0m \u001b[0mself\u001b[0m\u001b[0;34m.\u001b[0m\u001b[0mverify_digest\u001b[0m\u001b[0;34m(\u001b[0m\u001b[0msignature\u001b[0m\u001b[0;34m,\u001b[0m \u001b[0mdigest\u001b[0m\u001b[0;34m,\u001b[0m \u001b[0msigdecode\u001b[0m\u001b[0;34m)\u001b[0m\u001b[0;34m\u001b[0m\u001b[0;34m\u001b[0m\u001b[0m\n\u001b[0m\u001b[1;32m    102\u001b[0m \u001b[0;34m\u001b[0m\u001b[0m\n\u001b[1;32m    103\u001b[0m     \u001b[0;32mdef\u001b[0m \u001b[0mverify_digest\u001b[0m\u001b[0;34m(\u001b[0m\u001b[0mself\u001b[0m\u001b[0;34m,\u001b[0m \u001b[0msignature\u001b[0m\u001b[0;34m,\u001b[0m \u001b[0mdigest\u001b[0m\u001b[0;34m,\u001b[0m \u001b[0msigdecode\u001b[0m\u001b[0;34m=\u001b[0m\u001b[0msigdecode_string\u001b[0m\u001b[0;34m)\u001b[0m\u001b[0;34m:\u001b[0m\u001b[0;34m\u001b[0m\u001b[0;34m\u001b[0m\u001b[0m\n",
      "\u001b[0;32m/usr/local/lib/python3.7/site-packages/ecdsa/keys.py\u001b[0m in \u001b[0;36mverify_digest\u001b[0;34m(self, signature, digest, sigdecode)\u001b[0m\n\u001b[1;32m    111\u001b[0m         \u001b[0;32mif\u001b[0m \u001b[0mself\u001b[0m\u001b[0;34m.\u001b[0m\u001b[0mpubkey\u001b[0m\u001b[0;34m.\u001b[0m\u001b[0mverifies\u001b[0m\u001b[0;34m(\u001b[0m\u001b[0mnumber\u001b[0m\u001b[0;34m,\u001b[0m \u001b[0msig\u001b[0m\u001b[0;34m)\u001b[0m\u001b[0;34m:\u001b[0m\u001b[0;34m\u001b[0m\u001b[0;34m\u001b[0m\u001b[0m\n\u001b[1;32m    112\u001b[0m             \u001b[0;32mreturn\u001b[0m \u001b[0;32mTrue\u001b[0m\u001b[0;34m\u001b[0m\u001b[0;34m\u001b[0m\u001b[0m\n\u001b[0;32m--> 113\u001b[0;31m         \u001b[0;32mraise\u001b[0m \u001b[0mBadSignatureError\u001b[0m\u001b[0;34m\u001b[0m\u001b[0;34m\u001b[0m\u001b[0m\n\u001b[0m\u001b[1;32m    114\u001b[0m \u001b[0;34m\u001b[0m\u001b[0m\n\u001b[1;32m    115\u001b[0m \u001b[0;32mclass\u001b[0m \u001b[0mSigningKey\u001b[0m\u001b[0;34m:\u001b[0m\u001b[0;34m\u001b[0m\u001b[0;34m\u001b[0m\u001b[0m\n",
      "\u001b[0;31mBadSignatureError\u001b[0m: "
     ]
    }
   ],
   "source": [
    "# 试试用Secp256k1 加解密\n",
    "# -*- encoding: utf-8 -*-\n",
    "import binascii\n",
    "from ecdsa import SigningKey\n",
    "from ecdsa.curves import SECP256k1\n",
    "\n",
    "# 生成签名钥（私钥）、验证钥（前面加上<<04>>即是公钥）与签名\n",
    "signning_key = SigningKey.generate(curve=SECP256k1)\n",
    "verifing_key = signning_key.get_verifying_key()\n",
    "signature = signning_key.sign(b'shatoshi')\n",
    "\n",
    "sk_hex = binascii.hexlify(signning_key.to_string()).decode('utf-8')\n",
    "vk_hex = binascii.hexlify(verifing_key.to_string()).decode('utf-8')\n",
    "sig_hex = binascii.hexlify(signature).decode('utf-8')\n",
    "\n",
    "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\n",
    "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\n",
    "print(\"sig hex is {0}, len is {1}\".format(sig_hex,len(sig_hex)))\n",
    "\n",
    "# 验证钥验证签名\n",
    "print(verifing_key.verify(signature, b'shatoshi'))\n",
    "verifing_key.verify(signature, b'batoshi') # 错误的签名导致错误抛出"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "## Secp256k1 与 公私钥 的关系\n",
    "\n",
    "- **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。\n",
    "- **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。"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "## 公钥、私钥与地址的多种形式\n",
    "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](https://www.bitaddress.org/bitaddress.org-v3.3.0-SHA256-dec17c07685e1870960903d8f58090475b25af946fe95a734f88408cef4aa194.html)，我们可以了解到有哪些形式：\n",
    "- **私钥**\n",
    "    - Private key 普通私钥（通过整型、16进制 或者 字节表示）\n",
    "    - Private key WIF( Wallet Import Format) \n",
    "    - Private Key WIF Compressed\n",
    "- **公钥**\n",
    "    - Public Key 普通公钥（通过整型、16进制 或者 字节表示）\n",
    "    - Public Key Compressed 压缩的公钥\n",
    "    \n",
    "      【参考】https://bitcoin.stackexchange.com/questions/3059/what-is-a-compressed-bitcoin-key\n",
    "      \n",
    "- **地址**\n",
    "    - Bitcoin Address 普通比特币地址，通过 Public Key 生成\n",
    "    - Bitcoin Address Compressed 压缩的比特币地址，通过  Public Key Compressed 生成\n",
    "    \n",
    "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：\n",
    "\n",
    "![priv_to_pub_to_addr](pics/priv_to_pub_to_addr.png)\n",
    "—— [《精通比特币》](http://v1.8btc.com/books/261/master_bitcoin/_book/4/4.html)"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "## 交易类型、Output 与 UTXO\n",
    "\n",
    "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。\n",
    "\n",
    "- **比特币的交易类型：** 比特币的交易有 [**P2PKH、P2PK、P2SH、P2WPKH**](https://bitcoin.stackexchange.com/questions/64733/what-is-p2pk-p2pkh-p2sh-p2wpkh-eli5) 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。\n",
    "\n",
    "    - **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。\n",
    "    \n",
    "    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。\n",
    "        \n",
    "    - **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](https://en.bitcoin.it/wiki/Transaction#Output)。如果匹配，则这笔钱会被支付出去。\n",
    "    \n",
    "- **Output：** 知道以上概念，我们就能把握 Output 的含义：\n",
    "    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。\n",
    "\n",
    "![放水图](pics/en-unlocking-p2pkh-output.png)\n",
    "←放水图\n",
    "\n",
    "- **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。\n",
    "\n",
    "> 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。\n",
    "> ![balance_with_utxo_model](pics/balance_with_utxo_model.png)\n",
    "> 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。\n",
    ">\n",
    "> —— [Draveness](https://draveness.me/utxo-account-models)\n",
    "\n",
    "【延伸阅读】\n",
    "\n",
    "[UTXO 与账户余额模型](https://draveness.me/utxo-account-models)"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "## 总结\n",
    "\n",
    "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。\n",
    "\n",
    "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。"
   ]
  }
 ],
 "metadata": {
  "kernelspec": {
   "display_name": "Python 3",
   "language": "python",
   "name": "python3"
  },
  "language_info": {
   "codemirror_mode": {
    "name": "ipython",
    "version": 3
   },
   "file_extension": ".py",
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   "name": "python",
   "nbconvert_exporter": "python",
   "pygments_lexer": "ipython3",
   "version": "3.7.4"
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 },
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}