比特幣價格的上上下下，始終撩動著每一個人無比關(guān)切的小心臟。從去年初的 800 美元左右，飛漲到去年底到 19783.21 美元最高點(diǎn)，不到1年，便有將近 25 倍的升值速度。盡管眼下又掉回 8000 多美元的價格，但價格差不多能搞出去年同期一個數(shù)量級，幣圈人士“過去一年比以往 10 年掙的都多”，已經(jīng)是不爭的事實(shí)。
而對區(qū)塊鏈開發(fā)者來說，據(jù)說也已經(jīng)有拿到年新 500 萬的天價。所以“跑步進(jìn)入?yún)^(qū)塊鏈”，已經(jīng)成為不少程序員的共識。但是看過很多遠(yuǎn)離，我們?nèi)绾尾拍苎杆偕鲜帜?？國外網(wǎng)友 Ken Shirriff 在博客中分享了他在手動茶古劍比特幣交易時的代碼與對比特幣協(xié)議的心得，區(qū)塊鏈大本營編譯如下。
近期，媒體行業(yè)對比特幣表現(xiàn)出極大的熱情，這鼓舞著我從網(wǎng)絡(luò)底層的數(shù)據(jù)流開始，認(rèn)真學(xué)習(xí)比特幣的工作原理。通常人們會使用錢包軟件來進(jìn)行比特幣交易，錢包軟件在方便用戶的同時，向用戶隱藏了比特幣的交易流程，而我想親自動手來體驗(yàn)比特幣交易，我的目標(biāo)是用Python手動創(chuàng)建一筆比特幣交易，以十六進(jìn)制數(shù)據(jù)的形式將交易廣播到比特幣網(wǎng)絡(luò)中，然后觀察這筆交易是怎么被加入到區(qū)塊鏈中的。事實(shí)證明，這個過程很有趣，希望你也對它感興趣。
在本篇文章中，首先我會對比特幣進(jìn)行一個簡單的概述，之后，我會從以下幾個方面帶領(lǐng)你們學(xué)習(xí)比特幣：創(chuàng)建一個比特幣地址（比特幣中的賬戶），進(jìn)行一筆比特幣交易，簽署交易，將交易廣播到比特幣網(wǎng)絡(luò)中，最后等待交易的確認(rèn)。
比特幣簡述：
首先，我會介紹一下比特幣系統(tǒng)是怎么運(yùn)轉(zhuǎn)的，然后再深入探討整個細(xì)節(jié)。比特幣是一個基于點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的電子貨幣，你可以用現(xiàn)金在網(wǎng)上購買比特幣，用比特幣向他人轉(zhuǎn)賬，在有些商家，你可以像使用支付寶一樣使用比特幣付款，當(dāng)然，你也可以賣出所持有的比特幣換回現(xiàn)金。
簡而言之，在比特幣網(wǎng)絡(luò)中，分布式賬本（區(qū)塊鏈）記錄并隨時更新著每個比特幣的所有權(quán)。與銀行不同的是，比特幣并沒有與個人或個人的賬戶綁定，相反的，比特幣只屬于一個個比特幣地址，比如：1KKKK6N21XKo48zWKuQKXdvSsCf95ibHFa。這里你可能已經(jīng)繞暈了，難道這段字符中藏著比特幣？當(dāng)然不是，比特幣地址是比特幣網(wǎng)絡(luò)中的一個身份，也可以通俗地說是你在比特幣中開的一個“銀行賬戶”，我們用這個“賬戶”來進(jìn)行交易。在網(wǎng)站：blockchain.info中，你可以查到所有的交易信息：
?比特幣賬戶信息
但是怎么證明這個賬戶是我的呢，不急，先往下看，你的疑問我會為你一一解答。
比特幣交易
如何像使用現(xiàn)金一樣使用比特幣呢？答案是創(chuàng)建一筆交易。在一筆交易中，比特幣的所有者（上文提到過比特幣的所有者是比特幣地址）將所有權(quán)轉(zhuǎn)移到一個新的比特幣地址。比特幣的一個顛覆性創(chuàng)新就是通過鼓勵節(jié)點(diǎn)記賬（也叫礦工挖礦），將交易記錄放在一個分布式的數(shù)據(jù)庫中。交易被集合在區(qū)塊中，大概每十分鐘比特幣網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生一個新的區(qū)塊，成為交易記錄的一部分，稱為區(qū)塊鏈。加入到區(qū)塊鏈中的交易可以被認(rèn)為是一筆成功的交易?，F(xiàn)在問題來了，誰來給你記賬呢？是礦工，礦工的挖礦過程就是在往區(qū)塊鏈中記賬，礦工要核實(shí)每筆交易是否正確，核實(shí)完后，礦工們就開始算一道很難的數(shù)學(xué)題（密碼學(xué)中的哈希函數(shù)），最早算出答案的人就能生成一個區(qū)塊，也叫挖出了一個新的區(qū)塊，這個區(qū)塊將成為區(qū)塊鏈的新一部分。
也許你會問了，明明是記賬，干著會計(jì)的活，為什么要叫挖礦呢？和傳統(tǒng)的在地下挖礦石一樣，比特幣挖礦也是會有收獲的。挖礦是一種新發(fā)行比特幣的過程，當(dāng)前，每挖到一個礦，礦工會得到系統(tǒng)獎勵的12.5個比特幣，按目前一個比特幣接近一萬美元的市價，這就是一筆12.5萬美元的巨款。此外，礦工還可以獲得本區(qū)塊中所有的交易費(fèi)，舉例來說，在高度為512587的區(qū)塊中，幸運(yùn)的礦工總共收獲了12.829個比特幣。正因如此，礦工之間的競爭十分激烈，采礦的難度與礦工間激烈的競爭是比特幣安全的重要保證，因?yàn)檫@樣可以保證沒有壞人能操縱系統(tǒng)。
點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)
比特幣并沒有一個中央服務(wù)器，相反，比特幣在一個點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)行。如果你運(yùn)行一個比特幣節(jié)點(diǎn)，那你就成了網(wǎng)絡(luò)的一部分。比特幣網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)彼此交換自己存儲的交易，區(qū)塊，以及IP地址信息（用于節(jié)點(diǎn)間建立連接互相通信）。當(dāng)你第一次連接到比特幣網(wǎng)絡(luò)，你的節(jié)點(diǎn)會從隨機(jī)挑選的節(jié)點(diǎn)中下載區(qū)塊鏈的信息。反過來，你的節(jié)點(diǎn)也會向后加入者提供信息。當(dāng)你要創(chuàng)建一筆比特幣交易時，你要把這筆交易發(fā)送給一些節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)會在比特幣網(wǎng)絡(luò)中廣播這筆交易，直到全網(wǎng)都收到這筆交易。礦工們會收集你的交易信息，生成一個含有你這筆交易的區(qū)塊，向全網(wǎng)廣播，這時，你的節(jié)點(diǎn)也會收到這個區(qū)塊信息，通過驗(yàn)證，這筆交易被加入到了區(qū)塊鏈中，你就交易成功了。
加密技術(shù)
現(xiàn)在回到證明比特幣賬戶是誰的這個問題。比特幣使用數(shù)字簽名技術(shù)以確保只有比特幣賬戶的所有者才能使用賬戶中的比特幣。比特幣地址的所有者擁有與該地址相匹配的私鑰，當(dāng)花費(fèi)比特幣時，你用要這個私鑰在交易上簽名，證明自己是這個賬戶的所有者。這有點(diǎn)像現(xiàn)實(shí)生活中的蓋章，蓋章就意味著授權(quán)。怎么驗(yàn)證呢，公鑰與比特幣賬戶相關(guān)聯(lián)，用公鑰就可以驗(yàn)證簽名是否正確。這樣就解決了比特幣賬戶是誰的這個問題。
怎么來區(qū)分不同的交易呢？交易和區(qū)塊都使用密碼學(xué)上的哈希值進(jìn)行索引，是不是有點(diǎn)耳熟，對，在比特幣協(xié)議中，多處使用到了哈希函數(shù)，礦工們剛才算的數(shù)學(xué)題就是在算哈希函數(shù)。
比特幣協(xié)議探究
在接下來的文章里，我將逐步介紹我是怎樣手動進(jìn)行一次比特幣交易的。首先，我生成了一個比特幣賬戶以及對應(yīng)的公鑰，私鑰。接下來我發(fā)起了一筆比特幣交易，我向這個新生成的賬戶轉(zhuǎn)了一小筆比特幣。期間手動簽署這筆交易很困難，它花費(fèi)了我很多的時間。最后，我將這筆交易發(fā)送到比特幣網(wǎng)絡(luò)，等待它被加入?yún)^(qū)塊鏈。本文的其余部分會詳細(xì)地介紹這些步驟。
事實(shí)證明，手動進(jìn)行比特幣交易比我想象中的更加困難。正如你所看到的，比特幣的協(xié)議有些許混亂：它使用了大端格式數(shù)字（高位編址，將高序字節(jié)存儲在起始地址），小端格式數(shù)字（低位編址，將低序字節(jié)存儲在起始位置），固定長度數(shù)字，可變長度數(shù)字，自定義編碼格式，DER編碼格式以及各種加密算法。因此，僅僅是將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為正確的格式就浪費(fèi)了很多時間。
我遇到的第二個難題就是加密，嘗試一下手動加密，你就會發(fā)現(xiàn)密碼學(xué)對人們多不友好，甚至可以說是無情。即使你只輸錯了一個字節(jié)，交易就會因出錯被拒絕，而且它不會告訴你哪里出錯了，你只能重來。
最后，手動簽署交易的過程也比想象中難得多，簽署交易時每個環(huán)節(jié)都必須零失誤，要么又要退回重來。
比特幣地址和密鑰
第一步，我創(chuàng)建了一個比特幣地址。通常情況下，人們都是使用比特幣客戶端軟件來創(chuàng)建比特幣地址和與之相關(guān)的密鑰。本著學(xué)習(xí)的態(tài)度，我寫了一些Python代碼來生成比特幣地址，從而揭示地址創(chuàng)建的機(jī)理。
比特幣使用了一系列的密鑰和地址，下圖解釋了它們的關(guān)系。首先你要創(chuàng)建一個隨機(jī)的256位的私鑰，這個私鑰用于在花費(fèi)比特幣時簽署交易。因此，私鑰必須保密，否則你的比特幣可能會被盜用。
橢圓曲線數(shù)字簽名算法（Elliptic Curve Digital Signature Algorithm，ECDSA，美國政府的標(biāo)準(zhǔn)，接下來我們會討論它）會從私鑰中生成一個512位的公鑰，這個公鑰用于驗(yàn)證交易的簽名。但不方便的是，比特幣協(xié)議中需要在這個公鑰上添加了前綴04，這個公鑰在交易簽署之前不會被泄露，不像其它系統(tǒng)中公鑰就是為了公之于眾的。
比特幣地址與公鑰的關(guān)系
下一步就是生成與他人交易時使用的比特幣地址了。512位的公鑰太長不方便使用，因此使用SHA-256和RIPEMD哈希算法將其縮小為160位。然后使用比特幣定義的Base58Check 編碼將密鑰編碼為ASCII（American Standard Code for Information Interchange，美國信息交換標(biāo)準(zhǔn)代碼）格式。得到的地址（例如上文中的：1KKKK6N21XKo48zWKuQKXdvSsCf95ibHFa）就是你接收別人比特幣時要發(fā)布的地址。需要注意的是，你無法從比特幣地址中復(fù)原出公鑰或私鑰。如果你丟失了你的私鑰（比如說你把私鑰存在你的硬盤上，但硬盤丟失），你的比特幣將永遠(yuǎn)丟失。
最后，錢包交換格式密鑰（WIF）用于將私鑰添加到你的錢包軟件中，這只是將私鑰進(jìn)行Base58Check編碼轉(zhuǎn)換為ASCII格式，這一步是可逆的，而且很容易經(jīng)過逆變換恢復(fù)出256位的私鑰。（圖中有我的私鑰，我很好奇是否有人會用我的私鑰去偷（通過私鑰簽署交易，從而轉(zhuǎn)走）我那價值80美分的比特幣，然而真有人那么做了，可以在
https://blockchain.info/address/1KKKK6N21XKo48zWKuQKXdvSsCf95ibHFa 看到，也算是為教學(xué)做貢獻(xiàn)了。）
總之，共有三種密鑰：私鑰，公鑰，公鑰的哈希值，經(jīng)過使用Base58Check編碼，它們對外都是以ASCII格式表示。私鑰是其中最重要的密鑰，因?yàn)榛ㄙM(fèi)比特幣時需要私鑰簽署交易，而且其他的密鑰都可以從私鑰中產(chǎn)生。公鑰的哈希值就是你們剛看的的比特幣地址。
我使用下面的代碼片段來生成WIF格式的私鑰和地址。私鑰只是一個隨機(jī)的256位的數(shù)字，使用橢圓曲線數(shù)字簽名算法從私鑰中生成公鑰，公鑰使用SHA-256算法，RIPEMD-160算法進(jìn)行哈希計(jì)算，再經(jīng)Base58編碼并進(jìn)行校驗(yàn)后得到比特幣地址。最后，私鑰用Base58Check編碼以生成用于將私鑰輸入錢包軟件的WIF編碼。注意，這段Python隨機(jī)函數(shù)代碼在密碼學(xué)上安全性并不高，如果你想要嘗試這一步驟，建議使用更安全的錢包軟件來生成比特幣地址和密鑰。
def privateKeyToWif(key_hex): return utils.base58CheckEncode(0x80, key_hex.decode('hex')) def privateKeyToPublicKey(s): sk = ecdsa.SigningKey.from_string(s.decode('hex'), curve=ecdsa.SECP256k1) vk = sk.verifying_key
return ('\04' + sk.verifying_key.to_string()).encode('hex')
def pubKeyToAddr(s): ripemd160 = hashlib.new('ripemd160') ripemd160.update(hashlib.sha256(s.decode('hex')).digest())
return utils.base58CheckEncode(0, ripemd160.digest())
def keyToAddr(s):
return pubKeyToAddr(privateKeyToPublicKey(s))
# Warning: this random function is not cryptographically strong and is just for example
private_key = ''.join(['%x' % random.randrange(16) for x in range(0, 64)]) print keyUtils.privateKeyToWif(private_key) print keyUtils.keyToAddr(private_key)
keyUtils.py
從內(nèi)部分析一筆交易
交易是比特幣系統(tǒng)的基本操作，也許你會認(rèn)為交易就是簡單地把比特幣從一個地址轉(zhuǎn)移到另一個地址，但交易其實(shí)并不簡單。一筆交易包含一個或多個輸入和輸出，交易中的每個輸入的地址都提供比特幣，每個輸出的地址都接受比特幣。
一筆簡單的比特幣交易，交易C花費(fèi)了從交易A和交易B獲得的0.008個比特幣，其中0.001個比特幣被當(dāng)作交易費(fèi)付給礦工
上圖顯示了一筆簡單的比特幣交易“C”，在這筆交易中，有0.005個比特幣是在交易A中獲得的，0.003個比特幣是在交易B中獲得的。（圖中箭頭是由新交易的輸入指向得到這些比特幣的交易的輸出，所以比特幣的流向是逆著箭頭方向的。）對于輸出，有0.003個比特幣給了第一個比特幣地址，有0.004個比特幣給了第二個比特幣地址，剩余的0.001個比特幣作為交易費(fèi)付給礦工。請注意，本次交易并沒有影響到在交易A中另一個輸出為0.015的比特幣。
在一筆交易中，輸入的比特幣地址必須花出所有的比特幣，假如你在之前的交易收到了100個比特幣，但你只想花1個比特幣，創(chuàng)建這筆交易你必須花完所有的100個比特幣，那剩下的99個比特幣怎么辦呢？解決方案就是在交易中再增加一個輸出，將剩余的99個比特幣轉(zhuǎn)給自己。這樣你就可以花費(fèi)任意數(shù)額的比特幣。
通常交易要支付交易費(fèi)，如果一筆交易中輸入的比特幣總和大于輸出的比特幣的總和，剩余的費(fèi)用就是給礦工的交易費(fèi)。這筆費(fèi)用并沒有明確要求，但是對于礦工而言，沒有交易費(fèi)的交易就會被列為低優(yōu)先級交易，可能要等上幾天才會被處理甚至被礦工直接丟棄。交易費(fèi)通常并不高，但它可能影響著你的交易。
手動創(chuàng)建一筆交易
如下圖所示，在我的實(shí)驗(yàn)中我發(fā)起了一筆只有一個輸入一個輸出的交易。我在Coinbase上買了一些比特幣，并將0.00101234個比特幣放入地址：
1MMMMSUb1piy2ufrSguNUdFmAcvqrQF8M5中，這筆交易哈希為：
81b4c832d70cb56ff957589752eb4125a4cab78a25a8fc52d6a09e5bd4404d48，我的目標(biāo)是創(chuàng)建一筆交易，將這些比特幣轉(zhuǎn)入我的另一個地址：
1KKKK6N21XKo48zWKuQKXdvSsCf95ibHFa，扣除0.0001個比特幣的交易費(fèi)后，目標(biāo)地址將獲得0.00091234個比特幣。
比特幣交易結(jié)構(gòu)實(shí)例
? Blockchain.info上的交易記錄
https://blockchain.info/address/1MMMMSUb1piy2ufrSguNUdFmAcvqrQF8M5?filter=4
按照協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，創(chuàng)建這筆交易很簡單。如下表所示，這筆交易只有一個輸入，源自于81b4c832d70cb56ff957589752eb4125a4cab78a25a8fc52d6a09e5bd4404d48中的輸出0（第一個輸出）。輸出為0.00091234個比特幣（91234在十六進(jìn)制中用0x016462表示），它以小端格式存儲在值區(qū)域中。加密過程中的scriptSig和scriptPubKey較為復(fù)雜，我們稍后再做討論。
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version |
01 00 00 00 |
|
|
input count |
01 |
|
|
input |
previous output hash(reversed) |
48 4d 40 d4 5b 9e a0 d6 52 fc a8 25 8a b7 ca a4 25 41 eb 52 97 58 57 f9 6f b5 0c d7 32 c8 b4 81 |
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previous output index |
00 00 00 00 |
|
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script length |
||
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scriptSig |
script containing signature |
|
|
sequence |
ff ff ff ff |
|
|
output count |
01 |
|
|
output |
value |
62 64 01 00 00 00 00 00 |
|
script length |
||
|
scriptPubKey |
script containing destination address |
|
|
block lock time |
00 00 00 00 |
|
這是我生成交易使用的代碼，這段代碼只是把數(shù)據(jù)打包成二進(jìn)制文件。簽署交易較為困難，我們等一會兒再說。
# Makes a transaction from the inputs# outputs is a list of [redemptionSatoshis, outputScript]
def makeRawTransaction(outputTransactionHash, sourceIndex, scriptSig, outputs):
def makeOutput(data): redemptionSatoshis, outputScript = data
return (struct.pack("<Q", redemptionSatoshis).encode('hex') +
'%02x' % len(outputScript.decode('hex')) + outputScript) formattedOutputs = ''.join(map(makeOutput, outputs))
return (
"01000000" + # 4 bytes version "01" + # varint for number of inputs outputTransactionHash.decode('hex')[::-1].encode('hex') + # reverse outputTransactionHash struct.pack('<L', sourceIndex).encode('hex') +
'%02x' % len(scriptSig.decode('hex')) + scriptSig +
"ffffffff" + # sequence "%02x" % len(outputs) + # number of outputs formattedOutputs +
"00000000" # lockTime
)
txnUtils.py
比特幣交易怎樣簽署
下圖為我們簡單描述了交易是如何簽署并相互連接的。針對中間這筆從比特幣地址B轉(zhuǎn)賬到比特幣地址C的交易。交易的內(nèi)容（包括前一個交易的哈希值（索引））被進(jìn)行哈希計(jì)算并用B的私鑰簽名。另外，B的公鑰也被包含在了交易中。
通過執(zhí)行幾個簡單運(yùn)算，任何人都能驗(yàn)證B是否簽署了這筆交易。首先，B的公鑰與之前收到這筆比特幣交易的地址做驗(yàn)證，證明B的公鑰有效。（正如前面所說的，地址很容易從公鑰中計(jì)算獲得）。接下來，可以通過B的公鑰驗(yàn)證B交易簽名的真?zhèn)?。這些步驟能確保交易的有效性和交易得到B的授權(quán)。比特幣于眾不同的一點(diǎn)是，B的公鑰在B發(fā)起交易之前是不公開的。
在比特幣系統(tǒng)中，比特幣通過區(qū)塊鏈上的一筆筆交易在不同的地址間傳遞。區(qū)塊鏈上的每一筆交易都能被驗(yàn)證以確保比特幣交易的有效性。
比特幣腳本語言
你可能會以為僅僅通過在交易內(nèi)容中附上簽名就可以簽署比特幣交易，其實(shí)不然，這個過程十分復(fù)雜。實(shí)際上，每一筆交易中都包含一個“小程序”，用于確認(rèn)交易是否有效。這個“小程序”用腳本語言寫成，通過這種基于堆棧的比特幣腳本語言，我們可以應(yīng)對許多復(fù)雜的比特幣支付場景。例如，托管系統(tǒng)可以設(shè)定只要經(jīng)過三分之二的用戶授權(quán)，就可執(zhí)行交易的規(guī)則，也可以設(shè)置其他的合約。
腳本語言十分復(fù)雜，大約有80種操作碼，包括算數(shù)計(jì)算，按位操作，字符串處理，條件語句和堆棧操作。腳本語言也包含一些必要的密碼學(xué)操作（SHA-256,RIPEMD等等）作為原語（原語是執(zhí)行過程中不可被打斷的基本操作，你可以理解為一段代碼）。為了確保腳本語言可以運(yùn)行完畢自動退出，該語言不支持任何循環(huán)操作，因此它不是圖靈完備的。然而，實(shí)際上，它只支持少數(shù)類型的交易。
前一個交易中的腳本稱為scriptPubKey，當(dāng)前交易中的腳本稱為scriptSig。要驗(yàn)證交易時，先執(zhí)行scriptSig，然后再執(zhí)行scriptPubKey。如果兩個腳本都成功執(zhí)行，交易就被認(rèn)定為有效，交易中的比特幣就可以成功花出。否則，交易無效。要注意的是前一個交易中的scriptPubKey規(guī)定了花費(fèi)比特幣的條件，當(dāng)前交易的scriptSig必須滿足這個條件。
在一個標(biāo)準(zhǔn)的交易中，scriptSig腳本將從私鑰中生成的簽名并壓入堆棧中，再壓入公鑰。接下來scriptPubKey腳本會執(zhí)行運(yùn)算先驗(yàn)證公鑰的有效性，再驗(yàn)證簽名的有效性。
正如腳本中所表示，scriptSig：
PUSHDATA
signature data and SIGHASH_ALL
PUSHDATA
public key data
scriptPubKey：
OP_DUP OP_HASH160 PUSHDATA Bitcoin address (public key hash) OP_EQUALVERIFY OP_CHECKSIG
當(dāng)這段代碼執(zhí)行時，PUSHDATA操作首先會把簽名壓入堆棧，接著把公鑰壓入堆棧。OPHASH-160操作計(jì)算公鑰的160位哈希值，PUSHDATA操作再把交易中的輸入地址（輸入賬號）壓入堆棧，然后，OP-EQUALVERIFY操作驗(yàn)證驗(yàn)證前兩個堆棧中的值是否相等（驗(yàn)證這筆交易中你使用的比特幣是否屬于你自己）-如果公鑰的哈希等于之前交易中的輸出地址，這就證明公鑰是有效的（證明這個比特幣是你的）。最后，OP_CHECKSIG操作將檢查交易的簽名是否與堆棧里的公鑰和簽名匹配，匹配就證明簽名是有效的（證明交易的到了你的授權(quán)）
簽署交易
我發(fā)現(xiàn)簽署這筆交易是手動使用比特幣時最難的地方，這一過程出奇地困難且容易出錯。簽名的基本思想很簡單，使用橢圓曲線簽名算法和私鑰來生成交易的數(shù)字簽名，但細(xì)節(jié)非常棘手。簽署交易的過程可以通過這19個步驟描述。
簽署交易的19個步驟
對交易的簽名讓我面臨巨大的挑戰(zhàn)，這涉及到一個如何在交易內(nèi)容中還沒有加入簽名時簽署這筆交易的問題。為了避免這個問題，在計(jì)算生成簽名之前，我把scriptPubKey這個腳本從上一筆交易復(fù)制到當(dāng)前交易中（當(dāng)前這筆交易正在被簽署），然后將簽名轉(zhuǎn)換為腳本語言的代碼，創(chuàng)建嵌入在當(dāng)前交易中的scriptSig腳本。對于具有多個輸入的交易，簽署交易環(huán)節(jié)更加復(fù)雜，因?yàn)槊總€輸入都需要單獨(dú)的簽名，這里我就不做詳細(xì)討論了。
哈希值這一步驟難倒了我。在簽名之前，交易中有一個臨時附加的哈希值常量。對于常規(guī)的交易，這個值是SIGHASH_ALL（0x00000001）。簽名后，這個哈希值將從交易內(nèi)容的最后刪除，附加到scriptSig腳本中。
在比特幣中另一件令人討厭的事情是雖然簽名和公鑰都是512位的橢圓曲線值，但它們的表示方式完全不同：簽名用DER編碼方式編碼，而公鑰用純字節(jié)表示。另外，兩個值都有一個額外的字節(jié)，但位置并不一致：SIGHASH_ALL這個附加的哈希值常量放在簽名后面，而04這個值放在公鑰前面。
由于ECDSA算法需要使用隨機(jī)數(shù)，所以調(diào)試簽名十分困難。每次計(jì)算出的簽名都會有所不同，因此無法與已知正確的簽名進(jìn)行比較。
正是由于上述的復(fù)雜性，我花了很長時間才得到了一個簽名。不過，最終我找出了簽名代碼中所有的錯誤，并成功用它簽署了一筆交易。這是我使用的簽名代碼：
def makeSignedTransaction(privateKey, outputTransactionHash, sourceIndex, scriptPubKey, outputs): myTxn_forSig = (makeRawTransaction(outputTransactionHash, sourceIndex, scriptPubKey, outputs) + "01000000") # hash code s256 = hashlib.sha256(hashlib.sha256(myTxn_forSig.decode('hex')).digest()).digest() sk = ecdsa.SigningKey.from_string(privateKey.decode('hex'), curve=ecdsa.SECP256k1) sig = sk.sign_digest(s256, sigencode=ecdsa.util.sigencode_der) + '\01' # 01 is hashtype pubKey = keyUtils.privateKeyToPublicKey(privateKey) scriptSig = utils.varstr(sig).encode('hex') + utils.varstr(pubKey.decode('hex')).encode('hex') signed_txn = makeRawTransaction(outputTransactionHash, sourceIndex, scriptSig, outputs) verifyTxnSignature(signed_txn)
return signed2_txn
txnUtils.py
最終的scriptSig腳本中包含簽名以及比特幣源地址的公鑰（1MMMMSUb1piy2ufrSguNUdFmAcvqrQF8M5）。 這證明這筆交易有效，我可以花費(fèi)這些比特幣。
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PUSHDATA 47 |
47 |
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signature(DER) |
sequence |
30 |
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length |
44 |
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integer |
02 |
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length |
20 |
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X |
2c b2 65 bf 10 70 7b f4 93 46 c3 51 5d d3 d1 6f c4 54 61 8c 58 ec 0a 0f f4 48 a6 76 c5 4f f7 13 |
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|
integer |
02 |
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length |
20 |
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Y |
6c 66 24 d7 62 a1 fc ef 46 18 28 4e ad 8f 08 67 8a c0 5b 13 c8 42 35 f1 65 4e 6a d1 68 23 3e 82 |
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SIGHASH_ALL |
01 |
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PUSHDATA 41 |
41 |
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public key |
type |
04 |
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X |
14 e3 01 b2 32 8f 17 44 2c 0b 83 10 d7 87 bf 3d 8a 40 4c fb d0 70 4f 13 5b 6a d4 b2 d3 ee 75 13 |
|
|
Y |
10 f9 81 92 6e 53 a6 e8 c3 9b d7 d3 fe fd 57 6c 54 3c ce 49 3c ba c0 63 88 f2 65 1d 1a ac bf cd |
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最終的scriptPubKey腳本包含成功花費(fèi)比特幣時必須執(zhí)行的腳本。需要注意的是，這個腳本將在未來花費(fèi)這些比特幣的時候執(zhí)行。它包含以十六進(jìn)制表示而不是以Base58Check表示的目標(biāo)地址1KKKK6N21XKo48zWKuQKXdvSsCf95ibHFa，腳本的效果是只有這個目標(biāo)地址的私鑰所有者才能使用比特幣，因此目標(biāo)地址實(shí)際上是這些比特幣的所有者
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OP_DUP |
76 |
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OP_HASH160 |
a9 |
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PUSHDATA 14 |
14 |
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public key hash |
c8 e9 09 96 c7 c6 08 0e e0 62 84 60 0c 68 4e d9 04 d1 4c 5c |
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OP_EQUALVERIFY |
88 |
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OP_CHECKSIG |
ac |
最終的交易
經(jīng)過上述的一系列操作，我們完成了最終的交易。但是，別忘了，此時的交易還沒加入?yún)^(qū)塊鏈中，接收方還沒有收到你的比特幣。
privateKey = keyUtils.wifToPrivateKey("5HusYj2b2x4nroApgfvaSfKYZhRbKFH41bVyPooymbC6KfgSXdD") #1MMMM
signed_txn = txnUtils.makeSignedTransaction(privateKey,
"81b4c832d70cb56ff957589752eb4125a4cab78a25a8fc52d6a09e5bd4404d48", # output (prev) transaction hash 0, # sourceIndex
keyUtils.addrHashToScriptPubKey("1MMMMSUb1piy2ufrSguNUdFmAcvqrQF8M5"), [[91234, #satoshis
keyUtils.addrHashToScriptPubKey("1KKKK6N21XKo48zWKuQKXdvSsCf95ibHFa")]] ) txnUtils.verifyTxnSignature(signed_txn)
print'SIGNED TXN', signed_txn
makeTransaction.py
最終的交易信息如下所示：
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version |
01 00 00 00 |
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|
input count |
01 |
|
|
input |
previous output hash(reversed) |
48 4d 40 d4 5b 9e a0 d6 52 fc a8 25 8a b7 ca a4 25 41 eb 52 97 58 57 f9 6f b5 0c d7 32 c8 b4 81 |
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previous output index |
00 00 00 00 |
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script length |
8a |
|
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scriptSig |
47 30 44 02 20 2c b2 65 bf 10 70 7b f4 93 46 c3 51 5d d3 d1 6f c4 54 61 8c 58 ec 0a 0f f4 48 a6 76 c5 4f f7 13 02 20 6c 66 24 d7 62 a1 fc ef 46 18 28 4e ad 8f 08 67 8a c0 5b 13 c8 42 35 f1 65 4e 6a d1 68 23 3e 82 01 41 04 14 e3 01 b2 32 8f 17 44 2c 0b 83 10 d7 87 bf 3d 8a 40 4c fb d0 70 4f 13 5b 6a d4 b2 d3 ee 75 13 10 f9 81 92 6e 53 a6 e8 c3 9b d7 d3 fe fd 57 6c 54 3c ce 49 3c ba c0 63 88 f2 65 1d 1a ac bf cd |
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sequence |
ff ff ff ff |
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output count |
01 |
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output |
value |
62 64 01 00 00 00 00 00 |
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script length |
19 |
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scriptPubKey |
76 a9 14 c8 e9 09 96 c7 c6 08 0e e0 62 84 60 0c 68 4e d9 04 d1 4c 5c 88 ac |
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block lock time |
00 00 00 00 |
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小插曲：橢圓曲線簽名
比特幣的簽名算法使用到了橢圓曲線簽名算法，這么實(shí)用的功能，你可能會好奇它是怎么做到的？在當(dāng)年英國數(shù)學(xué)家安德魯·懷爾斯攻克費(fèi)馬大定理時，我第一次接觸到了橢圓曲線的算法。橢圓曲線的數(shù)學(xué)思想很有意思，所以在這里我給大家做一個快速的概述。
橢圓曲線這個叫法令人迷惑，因?yàn)闄E圓曲線并不是橢圓，而且看起來也不像橢圓，甚至橢圓曲線與橢圓相關(guān)性都很少。通俗地講，橢圓曲線就是滿足一個簡單方程y ^ 2 = x ^ 3 + ax + b的曲線。比特幣中使用的稱為secp256k1的橢圓曲線，它滿足的方程為y ^ 2 = x ^ 3 + 7。
secp256k1橢圓曲線
橢圓曲線的一個重要特性就是你可以用一個簡單的規(guī)則來定義橢圓曲線上點(diǎn)的相加：如果在曲線上繪制一條直線，這條直線與曲線交與A，B，C三個點(diǎn)，那么這個加法定義為A+B+C=0。由這個加法的定義，我們可以定義整數(shù)乘法：例如4A = A + A + A + A。
為什么橢圓曲線在密碼學(xué)上很有用？因?yàn)闄E圓曲線做整數(shù)乘法運(yùn)算速度很快，但做除法時需要蠻力。例如，你可以快速地計(jì)算一個乘法12345678*A = Q，但是如果你只知道A和Q，求解n*A=Q中的n十分困難。因此在橢圓曲線算法中，這里的12345678將是私鑰，曲線上的點(diǎn)Q將是公鑰。
在密碼學(xué)中，點(diǎn)的坐標(biāo)并不是它在曲線上的實(shí)值點(diǎn)，而是對整數(shù)的模數(shù)。橢圓曲線的一個好用的特性就是對實(shí)數(shù)或模數(shù)進(jìn)行運(yùn)算的數(shù)學(xué)運(yùn)算幾乎相同。正因?yàn)槿绱?，比特幣的橢圓曲線并不像上面的圖片，而是一團(tuán)雜亂無章的256位點(diǎn)集（想想在一個空間中充滿了大量雜亂無章的點(diǎn)）。
橢圓曲線數(shù)字簽名算法（ECDSA）接收交易的哈希值，使用該交易數(shù)據(jù)，私鑰，以及一個隨機(jī)數(shù)從橢圓曲線上生成一個新的點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)對交易的簽名。任何擁有公鑰，交易數(shù)據(jù)，和簽名的人都可以通過做一個簡單的橢圓曲線運(yùn)算來驗(yàn)證簽名的有效性。讀到這里，你應(yīng)該明白了為什么只有擁有私鑰的人才能簽署消息，但擁有公鑰的任何人都可以驗(yàn)證該消息。
把交易發(fā)送到比特幣網(wǎng)絡(luò)
回到交易中來，別忘了此時我們的交易還沒有被加入到區(qū)塊鏈中，還不是一筆有效交易。剛剛我創(chuàng)建并簽署了一筆交易。下一步就是將這筆交易發(fā)送到比特幣網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)中的礦工會收集交易并把它打包進(jìn)區(qū)塊中。
如何找到比特幣網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)
首先我要在比特幣的點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中找到一個節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)的列表會隨節(jié)點(diǎn)的進(jìn)出動態(tài)更新，當(dāng)一個比特幣節(jié)點(diǎn)連接到另一個節(jié)點(diǎn)時，它們就會不斷交換彼此新發(fā)現(xiàn)的比特幣節(jié)點(diǎn)信息，因此，新節(jié)點(diǎn)加入的消息會快速地傳遍整個網(wǎng)絡(luò)。
然而，新的比特幣節(jié)點(diǎn)如何第一次找到比特幣節(jié)點(diǎn)？這是一個先有雞還是先有蛋的問題。比特幣節(jié)點(diǎn)通過以下幾種方法來解決這個問題。有幾個可信的比特幣節(jié)點(diǎn)會以bitseed.xf2.org的域名在DNS系統(tǒng)（Domain Name System，域名系統(tǒng)，萬維網(wǎng)上作為域名和IP地址相互映射的一個分布式數(shù)據(jù)庫）上注冊，通過執(zhí)行nslookup命令，你就可以得到這些節(jié)點(diǎn)的IP地址，只要有一個在工作即可。如果很不幸它們都沒有工作的話，你可以試著連接那幾個已經(jīng)在你的客戶端中硬編碼記錄下來的地址。
Nslookup命令可以用來尋找比特幣節(jié)點(diǎn)
當(dāng)用戶啟動或停止比特幣客戶端時，節(jié)點(diǎn)就會加入或離開比特幣網(wǎng)絡(luò)。所以連接節(jié)點(diǎn)有很大的不確定性，在我實(shí)驗(yàn)時，就遇到了連接的節(jié)點(diǎn)已經(jīng)離開比特幣網(wǎng)絡(luò)的情況，如果你想重復(fù)我的實(shí)驗(yàn)，最好多找?guī)讉€節(jié)點(diǎn)，可能需要多次嘗試才能找到一個運(yùn)行著的節(jié)點(diǎn)。
與比特幣節(jié)點(diǎn)通信
一旦獲得了一個正在工作的比特幣節(jié)點(diǎn)的IP地址，當(dāng)務(wù)之急就通過這個節(jié)點(diǎn)是把我的交易發(fā)送到比特幣的點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中。使用點(diǎn)對點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議十分簡單，我在端口8333上打開了一個到任意對等端的TCP連接，發(fā)送消息，然后接受反饋消息。比特幣的點(diǎn)對點(diǎn)協(xié)議對用戶很友好，即使我的請求數(shù)據(jù)出錯時，還是繼續(xù)與我保持通信。
重要提示：正如一些人指出的那樣，如果你想重復(fù)我的實(shí)驗(yàn)，切記要使用比特幣的測試網(wǎng)絡(luò)，在測試網(wǎng)絡(luò)上，你可以使用“虛擬”的比特幣來進(jìn)行交易。因?yàn)樵谡鎸?shí)網(wǎng)絡(luò)上，萬一你不小心，有可能會失去所有的比特幣。還記得上面提到的那個100個比特幣轉(zhuǎn)賬1個的交易么，如果你忘了將剩余的比特幣轉(zhuǎn)給自己，那么剩余的99個比特幣就會作為交易費(fèi)支付給礦工。但是本著科學(xué)的態(tài)度，我并不在意在真實(shí)的比特幣網(wǎng)絡(luò)中損失我這些價值1美元的比特幣。
協(xié)議中包含24種不同的信息種類。每一條信息都是一個簡單的二進(jìn)制大對象（binary large object ，BLOB，是一個可以存儲二進(jìn)制文件的容器），其中包含一個ASCII命令和一個適用該命令的二進(jìn)制有效參數(shù)。該協(xié)議可以在比特幣的維基上查詢。
連接到比特幣網(wǎng)絡(luò)的第一步就是通過交換客戶端版本信息來建立連接。首先，我發(fā)送了一條客戶端版本信息，其中包含我的協(xié)議版本號，IP地址和其他內(nèi)容。比特幣節(jié)點(diǎn)也向我回復(fù)了它的版本信息。在此之后，我應(yīng)該回復(fù)一個verack信息(version acknowledgement，版本確認(rèn))來確認(rèn)它的版本信息。正如我所說，比特幣點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議對用戶十分友好，即使我跳過了verack信息，之后的操作也是一切正常。
交換版本信息這一步并不簡單，因?yàn)樾畔⒕哂袠?biāo)準(zhǔn)的格式，不過不用害怕，可以用幾行代碼來創(chuàng)建這些信息。下面代碼段中的makeMessage函數(shù)可以由隨機(jī)數(shù)，命令名以及命令的參數(shù)來生成一條消息。getVersionMessage函數(shù)通過將各個字段打包在一起來為版本消息創(chuàng)建參數(shù)。
magic = 0xd9b4bef9
def makeMessage(magic, command, payload): checksum =
hashlib.sha256(hashlib.sha256(payload).digest()).digest()[0:4]
return struct.pack('L12sL4s', magic, command, len(payload), checksum) + payload
def getVersionMsg():
version = 60002 services = 1 timestamp = int(time.time()) addr_me = utils.netaddr(socket.inet_aton("127.0.0.1"), 8333) addr_you = utils.netaddr(socket.inet_aton("127.0.0.1"), 8333) nonce = random.getrandbits(64) sub_version_num = utils.varstr('') start_height = 0 payload = struct.pack('<LQQ26s26sQsL', version, services, timestamp, addr_me, addr_you, nonce, sub_version_num, start_height)
return makeMessage(magic, 'version', payload)
msgUtils.py
發(fā)送交易tx
我使用下面精簡的Python代碼把我的交易發(fā)送到比特幣網(wǎng)絡(luò)中，這個代碼發(fā)送一條客戶端版本信息，接受（也可以忽略）比特幣節(jié)點(diǎn)的版本信息和verack信息。最后將我的交易以tx信息發(fā)送。代碼中這個16進(jìn)制的字符串是我之前創(chuàng)建的交易。
def getTxMsg(payload): return makeMessage(magic, 'tx', payload) sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM) sock.connect(("97.88.151.164", 8333)) sock.send(msgUtils.getVersionMsg()) sock.recv(1000) # receive version sock.recv(1000) # receive verack sock.send(msgUtils.getTxMsg("0100000001484d40d45b9ea0d652fca8258ab7caa42541eb52975857f96fb50cd732c8b481000000008a47304402202cb265bf10707bf49346c3515dd3d16fc454618c58ec0a0ff448a676c54ff71302206c6624d762a1fcef4618284ead8f08678ac05b13c84235f1654e6ad168233e8201410414e301b2328f17442c0b8310d787bf3d8a404cfbd0704f135b6ad4b2d3ee751310f981926e53a6e8c39bd7d3fefd576c543cce493cbac06388f2651d1aacbfcdffffffff0162640100000000001976a914c8e90996c7c6080ee06284600c684ed904d14c5c88ac00000000".decode('hex')))
minimalSendTxn.py
以下Wireshark（一個抓取，分析網(wǎng)絡(luò)封包的軟件）軟件的截圖顯示出我是如何將交易發(fā)送到比特幣網(wǎng)絡(luò)中的。我用Python編寫了腳本來分析網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，為了簡單起見，在這里我使用Wireshark。從圖中可以看到我的這筆tx交易。
Wireshark中抓取的這筆正在上傳至比特幣網(wǎng)絡(luò)的交易tx
為了實(shí)時監(jiān)控我這筆交易的進(jìn)度，我在比特幣網(wǎng)絡(luò)中新運(yùn)行了一個節(jié)點(diǎn)，在把我交易發(fā)到比特幣網(wǎng)絡(luò)5秒鐘之后，另一個節(jié)點(diǎn)給我發(fā)送了這個tx消息，其中包含我剛剛發(fā)送的這筆交易的哈希，由此可見，在僅僅這幾秒中，我的交易已經(jīng)傳遍了比特幣網(wǎng)絡(luò)，至少也是比特幣網(wǎng)絡(luò)的一部分。
交易成功：我的交易被加入?yún)^(qū)塊鏈
在將我的交易發(fā)送比特幣網(wǎng)絡(luò)之后，我需要等待它被礦工開采出來加入到區(qū)塊鏈中，然后才能宣稱我的實(shí)驗(yàn)圓滿成功。10分鐘后，我的比特幣節(jié)點(diǎn)收到一條含有新區(qū)塊信息的inv消息（參見下圖Wireshark抓到的網(wǎng)絡(luò)封包），檢查這個區(qū)塊后發(fā)現(xiàn)我的交易被包含在了區(qū)塊中，證明我的交易是有效的，我的實(shí)驗(yàn)成功了。通過我的比特幣錢包軟件和在線查詢，再一次確認(rèn)了我已經(jīng)交易成功?？梢哉f，經(jīng)過不斷的努力，我成功手動創(chuàng)建了一筆交易，并讓比特幣系統(tǒng)接受了它。（當(dāng)然了，我也經(jīng)過了幾次失敗的嘗試，這些錯誤的交易都消失在了網(wǎng)絡(luò)之中，永遠(yuǎn)都不會被檢索到。
Wireshark中抓取的新區(qū)塊產(chǎn)生的封包信息
我的交易是被當(dāng)時哈希算力（挖礦速度）最大的礦池（多個礦工一起挖礦）GHash.IO挖出，區(qū)塊高度為279068，區(qū)塊哈希為0000000000000001a27b1d6eb8c405410398ece796e742da3b3e35363c2219ee，在上圖Wireshark數(shù)據(jù)包中inv消息的哈希值是經(jīng)前后反轉(zhuǎn)得到的ee192……。你應(yīng)該會發(fā)現(xiàn)區(qū)塊的哈希值以大量的0開頭，在一個16進(jìn)制的哈希值中發(fā)現(xiàn)一個以這么多0開頭的數(shù)，這就是為什么挖礦如此困難的原因。這個區(qū)塊中由462筆交易，我的交易是其中之一。
高度為279068的區(qū)塊以及我發(fā)起的這筆交易
（https://blockchain.info/block-index/341440/0000000000000001a27b1d6eb8c405410398ece796e742da3b3e35363c2219ee）
挖到這個區(qū)塊的礦工們收到了25個比特幣的獎勵，交易費(fèi)總共是0.104個比特幣，按當(dāng)時的市價分別為19000美元和80美元。我支付了0.0001個比特幣的交易費(fèi)，大約是我交易額的10%，按當(dāng)時的市價為8美分。
結(jié)論
手動進(jìn)行比特幣交易比我想象中困難得多，但是在這個過程中我學(xué)到了很多，希望你也是。我的Python代碼僅僅是為了介紹，如果你想跟我一樣用Python手動進(jìn)行比特幣交易，也可以試試這幾個項(xiàng)目。
https://en.bitcoin.it/wiki/Bitcoin-python
https://github.com/richardkiss/pycoin
https://github.com/jgarzik/python-bitcoinlib
寫在最后
2017年是區(qū)塊鏈的井噴之年，經(jīng)過一年的積攢，2018年將迎來區(qū)塊鏈的落地之年，區(qū)塊鏈會逐漸顛覆各行各業(yè)。對于個人，區(qū)塊鏈的機(jī)會會越來越多，也許你錯過了比特幣的投資，不妨現(xiàn)在抓住區(qū)塊鏈這個風(fēng)口，投資自己，多學(xué)習(xí)相關(guān)知識，區(qū)塊鏈大有可為，投身區(qū)塊鏈的你將大有作為！
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