比特幣入門之地址的離線生成與管理

社會主義接班人發表於2019-06-18
比特幣

一、概述

在前面的課程中，我們使用節點軟體的getnewaddress呼叫來建立 新的比特幣地址，地址對應的私鑰以及交易的簽名都是由節點錢包模組 管理，應用程式是無法控制的，在某些應用場景中，這可能會限制 應用的功能實現。

如果要獲得最大程度的靈活性，我們就需要拋開節點軟體，使用 C#程式碼來離線生成地址。這些離線生成的地址自然不屬於節點錢包 管理，因此也會帶來一些額外的問題，例如：

  • 需要我們理解金鑰、地址、指令碼這些比特幣內部的機制
  • 需要我們自己進行裸交易的構造以及簽名，而不是簡單地呼叫sendtoaddress
  • 需要我們自己跟蹤這些地址相關的UTXO，而不是簡單地呼叫listunspent
  • 需要我們自己彙總比特幣餘額，沒有一個getbalance可用

這些麻煩都是因為我們試圖自己管理地址而引發的，從某種程度上說， 一旦我們決定自己管理地址，基本上就需要實現一個錢包模組了：

在接下來的課程中，我們還是使用NBitcoin來完成這些任務 —— 前面說過，NBitcoin 是最完善的.NET平臺上的比特幣協議實現，它不僅僅包含RPC的封裝。

二、建立私鑰和公鑰

我們之前已經瞭解，從私鑰可以匯出公鑰，從公鑰則可以匯出地址，地址只是 公鑰的一種簡明表達形式：

私鑰本質上就是一個隨機數，從私鑰出發，利用橢圓曲線乘法運算 可以推匯出公鑰，而從公鑰，利用雜湊演算法就得到比特幣地址了。這兩次 運算都是單向不可逆的，因此無法從地址反推出公鑰，或者從公鑰反推出 私鑰。

地址源於金鑰，因此讓我們首先使用NBitcoin的Key類來建立公鑰和私鑰：

例如，下面的程式碼建立金鑰對並顯示私鑰和公鑰的16進位制字串：

Key key = new Key();
Console.WriteLine("is compressed => {0}",key.IsCompressed); //是否壓縮公鑰？
string prv = Encoders.Hex.EncodeData(key.ToBytes());  //16進位制字串
Console.WriteLine("private => {0}",prv);
Console.WriteLine("private wif => {0}",key.GetWif(Network.RegTest));          //WIF格式私鑰
PubKey pubKey = key.PubKey;                           //返回公鑰物件
Console.WriteLine("public => {0}",pubKey.ToHex());    //16進位制字串

壓縮形式的公鑰比非壓縮的公鑰差不多短一半，但使用上沒有差異，因此 Key預設生成的都是使用壓縮形式的公鑰。可以使用IsCompressed屬性 驗證這一點。

公鑰物件的Hash屬性可以得到公鑰的雜湊值，這正是構造 比特幣地址的核心資料，讓我們先看一下它的樣子：

KeyId hash = pubKey.Hash;
Console.WriteLine("hash => {0}", hash.ToString());  //16進位制字串
using NBitcoin;
using NBitcoin.DataEncoders;
using System;

namespace NewKey
{
    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            Key key = new Key();
            Console.WriteLine("compressed => {0}", key.IsCompressed);
            Console.WriteLine("prv key => {0}", Encoders.Hex.EncodeData(key.ToBytes()));
            Console.WriteLine("prv key wif => {0}", key.GetWif(Network.RegTest));
            PubKey pubKey = key.PubKey;
            Console.WriteLine("pub key => {0}", pubKey.ToHex());
            Console.WriteLine("pub key hash => {0}", pubKey.Hash);
            Console.ReadLine();
        }
    }
}
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 三、建立P2PKH地址

在比特幣網路中，地址的作用就是接收以太幣，並以UTXO的形式呆在 交易裡等待被消費掉。因此地址最初是與金鑰相關的：因為金鑰對應著 某個使用者/身份。在比特幣的演化過程中，陸續出現了若干種形式的地址， 但核心始終是一致的：標識目標使用者/身份。

讓我們從最簡單的P2PKH地址說起。

P2PKH（Pay To Public Key Hash）地址是第一種被定義的比特幣地址， 它基於公鑰的雜湊而生成：

P2PKH地址包含三部分：8位網路字首、160位公鑰雜湊和32位校驗碼字尾，這三部分 內容拼接起來並經過base58編碼，就得到了P2PKH地址。

地址字首

由於比特幣的P2P協議目前被應用到多個區塊鏈中，例如比特幣主鏈、測試鏈、 萊特幣、dash幣等，並且比特幣有多種地址，因此使用字首來區分不同的區塊鏈 或地址格式。例如，對於比特幣主鏈的P2PKH地址，其字首為00；而對於測試鏈 的P2PKH地址，其字首則為6F。不同的字首經過base58編碼過程後，則形成了 不同的前導符，使我們很容易區分地址的型別：

關於地址字首的詳細資訊，可以參考官網說明。

NBitcoin針對不同的網路提供了對應的封裝類，例如在這些網路封裝類中標記了 不同的字首方案。因此當我們生成地址時，需要指定一個網路引數物件，以便 正確地應用地址字首：

例如，下面的程式碼獲取開發私鏈模式下的網路引數物件：

Network network = Network.RegTest;

在NBitcoin中使用BitcoinPubKeyAddress類表徵一個P2PKH比特幣地址，基於上面 P2PKH地址的構成，容易理解，例項化一個P2PKH地址需要傳入公鑰雜湊和網路引數。 例如，下面的程式碼建立一個新的金鑰，並返回其在私有鏈模式下的地址：

Key key = new Key();
BitcoinAddress addr = new BitcoinPubKeyAddress(key.PubKey.Hash,Network.RegTest);
Console.WriteLine("address => {0}", addr);

由於金鑰和P2PKH地址是一一對應的，因此，也可以按照私鑰/公鑰的途徑直接 返回P2PKH地址，例如：

BitcoinAddress addr = key.PubKey.GetAddress(Network.RegTest);
using NBitcoin;
using System;

namespace Newp2pkh
{
    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            Key key = new Key();
            PubKey pubKey = key.PubKey;
            Console.WriteLine("pub key => {0}", pubKey);
            KeyId pubKeyHash = pubKey.Hash;
            Console.WriteLine("pub key hash => {0}", pubKeyHash);
            Console.WriteLine("script pubkey => {0}", pubKey.ScriptPubKey);
            BitcoinAddress addr = new BitcoinPubKeyAddress(pubKeyHash, Network.RegTest);
            Console.WriteLine("p2pkh address @regtest => {0}", addr);
            Console.WriteLine("p2pkh address @regtest => {0}", pubKey.GetAddress(Network.RegTest));
            Console.WriteLine("p2pkh address @testnet => {0}", pubKey.GetAddress(Network.TestNet));
            Console.WriteLine("p2pkh address @main => {0}", pubKey.GetAddress(Network.Main));
            Console.ReadLine();
        }
    }
}
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四、身份驗證邏輯

BitcoinAddress類除了Network屬性之外，還有一個屬性ScriptPubKey值得我們研究：

ScriptPubKey屬性用來獲取地址對應的公鑰指令碼，它將會返回如下的結果

公鑰指令碼有什麼作用？

讓我們先考慮一個相關的問題：如果一個UTXO上標明瞭接收地址，那麼接收地址 的持有人該如何向節點證明這個UTXO屬於他？

P2PKH地址是由公鑰推匯出來的，我們知道公鑰可以驗證私鑰的簽名，那麼 只要引用UTXO的交易，提供對交易的簽名和公鑰，節點就可以利用公鑰， 來驗證提交交易者，是不是該地址的持有人了：

在上圖中，交易2222的提交者需要在交易的輸入中，為引用的每個UTXO補充 自己的公鑰以及交易簽名，然後提交給節點。節點將按照如下邏輯驗證提交者是否是地址 x的真正持有人：

  1. 驗證公鑰：利用公鑰推算地址，檢查是否與地址x一致，如果不一致則拒絕交易
  2. 驗證私鑰：利用交易和公鑰，驗證提交的簽名是否匹配，如果不一致則拒絕交易
  3. 接受並廣播交易

因此，當我們向目標地址傳送比特幣時，實際上相當於給這個轉出的UTXO 加了一個目標地址提供的鎖，而只有目標地址對應的私鑰才可以解開這個鎖。 回到前面的問題，getScriptPubKey()方法返回的公鑰指令碼，就對應於這個 提供給傳送方的鎖了 —— 給我發的UTXO，請用我提供的鎖先鎖上。

五、P2PKH指令碼執行原理

在前一節，我們理解了節點如何驗證交易提交者對UTXO的所有權，那麼接 下來就容易理解ScriptPub屬性獲取的指令碼到底是什麼了。

簡單地說，比特幣實際上是將UTXO所有權的驗證邏輯，從節點中剝離 到交易中實現的：在UTXO中定義一段指令碼（公鑰指令碼），在引用UTXO時定義另一段指令碼 （簽名指令碼），節點在驗證UTXO所有權時，只需要拼接這兩段指令碼，並確定執行結果為 真，就表示交易提交者的確持有該UTXO：

比特幣所採用的指令碼採用自定義的簡單語法，不支援迴圈，因此不是圖靈 完備的語言，但也降低了安全風險。指令碼使用預定義的指令編寫，從左至右依次執行。

例如，對於P2PKH地址，其對應的採用助記符表示的兩部分指令碼如下：

scriptPubKey: OP_DUP OP_HASH160 <pubKeyHash> OP_EQUALVERIFY OP_CHECKSIG
scriptSig: <sig> <pubKey>

最終節點合併指令碼時，總會將scriptPubKey放在後面，而scriptSig放在前面：

比特幣指令碼指令的執行需要一個棧，在上圖中，列出了整個指令碼的7個指令執行 過程中，每個指令執行後的棧的情況。接下來讓我們單步跟蹤指令的執行情況。

簽名與公鑰入棧

指令1和2首先將簽名和公鑰壓入棧。 當執行第1個指令時，將向棧頂壓入簽名<sig>，當執行第2個指令時，將向棧頂壓入 公鑰<pubkey>。

公鑰驗證

接下來指令3/4/5/6將驗證公鑰是否匹配scriptPubKey中預留的解鎖公鑰雜湊。

首先，使用指令OP_DUP將棧頂成員複製一份再壓入棧，因此該指令執行後，棧頂將有 兩個公鑰<pubkey>。

接下來，使用指令OP_HASH160提取棧頂成員並進行兩重雜湊計算（SHA-256 -> RIMPEMD-160）， 我們知道這就是公鑰雜湊的演算法。該指令的結果將壓入棧，以便和scriptPubKey中 的預留公鑰雜湊進行對比。

然後，指令碼會將scriptPubKey中預留的解鎖公鑰雜湊壓入棧頂，這樣棧頂就有兩個公鑰雜湊了： 預留的解鎖公鑰雜湊，以及根據解鎖指令碼提供的公鑰重新生成的公鑰雜湊。

指令OP_EQUALVERIFY將提取棧頂的兩個公鑰雜湊進行比較，如果不相等則直接標註交易無效， 退出指令碼執行。如果成功的話，棧頂此時只有兩個成員了：公鑰和交易簽名。

簽名驗證

指令OP_CHECKSIG負責提取棧頂的兩個成員進行簽名驗證，如果驗證成功，則將01壓入棧， 棧頂的非零值意味著驗證成功。否則將00壓入棧，這意味著驗證失敗。

六、建立P2SH地址

基於前一節的學習，我們知道比特幣的UTXO所有權的認證，是完全基於 交易中嵌入的兩部分指令碼來完成的，這種獨立於節點旳指令碼化驗證機制為比特幣 的支付提供了巨大的靈活性。

P2SH（Pay To Script Hash）地址就是為了充分利用比特幣的指令碼能力而提出的改進。 容易理解，這種地址是基於指令碼的雜湊來構造的 —— 該指令碼被稱為贖回（redeem）指令碼：

P2SH地址的公鑰指令碼只是簡單地驗證UTXO的消費者所提交的序列化的贖回指令碼serializedRedeemScript是否匹配預留的指令碼雜湊scriptHash：

如果上述驗證通過，那麼節點會將序列化的贖回指令碼展開並與簽名再次拼接。例如 下圖展示了一個簡單的贖回指令碼展開後與簽名拼接的完整指令碼：

同樣，P2SH地址字首根據網路不同有所區別：

指令碼

NBitcoin實現了完整的比特幣指令碼編寫與執行功能，使用ScriptBuilder 類提供的方便函式來構造指令碼物件：

基於P2SH地址的構造原理，我們可以建立任意一個指令碼作為贖回指令碼來建立一個P2SH 地址。例如，在下面的程式碼中首先生成前面描述的簡單贖回指令碼，然後建立該指令碼的P2SH地址：

Key key = new Key();
Script redeemScript = new Script(Op.GetPushOp(key.PubKey.ToBytes()),OpcodeType.OP_CHECKSIG);
BitcoinAddress addr = new BitcoinScriptAddress(redeemScript.Hash,Network.RegTest);
Console.WriteLine("p2sh address => {0}",addr);
using NBitcoin;
using System;

namespace Newp2sh
{
    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            Key key = new Key();
            Script redeemScript = new Script(
                Op.GetPushOp(key.PubKey.ToBytes()),
                OpcodeType.OP_CHECKSIG);
            BitcoinAddress addr = new BitcoinScriptAddress(redeemScript.Hash, Network.RegTest);
            Console.WriteLine("p2sh addr@regtest => {0}", addr);
            Console.WriteLine("p2sh addr@regtest => {0}", redeemScript.Hash.GetAddress(Network.RegTest));
            Console.ReadLine();

        }
    }
}
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七、多重簽名贖回指令碼

P2SH地址應用最多的領域就是進行多重簽名交易：一個UTXO的消費交易必須從n個 參與者中至少獲得m個簽名才能被確認，這被稱為m-of-n簽名。

例如，一個2-of-3的多重簽名的贖回指令碼如下：

多重簽名的贖回指令碼主要使用指令OP_CHECKMULTISIG完成，它執行時需要棧頂 的成員如下

我們可以使用Script類從頭建立多重簽名贖回指令碼，但更簡單的是使用 PayToMultiSigTemplate類直接返回贖回指令碼：

 

當獲得贖回指令碼後，使用贖回指令碼的Hash屬性值，結合對應的Network 例項，就可以獲得這個贖回指令碼對應的P2SH地址了。 例如，下面的程式碼構造一個2-of-2簽名指令碼，並建立其對應的P2SH地址：

Key keyTommy = new Key();
Key keyJerry = new Key();
var generator = PayToMultiSigTemplate.Instance;
Script redeemScript = generator.GenerateScriptPubKey(2,keyTommy.PubKey,keyJerry.PubKey);
BitcoinAddress addr = new BitcoinScriptAddress(redeemScript.Hash,Network.RegTest);
Console.WriteLine("p2sh address@regtest => {0}",addr);
using NBitcoin;
using System;
using System.Linq;

namespace Newp2shmsig
{
    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            Key[] keys = new[] { new Key(), new Key(), new Key() };
            PubKey[] pubKeys = keys.Select(key => key.PubKey).ToArray();
            for (var i = 0; i < pubKeys.Count(); i++)
            {
                Console.WriteLine("pubkey#{0} => {1}", i, pubKeys[i]);
            }
            Script redeem = PayToMultiSigTemplate.Instance.GenerateScriptPubKey(2, pubKeys);
            Console.WriteLine("msig script => {0}", redeem);
            BitcoinAddress addr = new BitcoinScriptAddress(redeem.Hash, Network.RegTest);
            Console.WriteLine("msig p2sh address @regtest => {0}", addr);
            Console.ReadLine();
        }
    }
}
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