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如何設計一個比特幣錢包服務

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摘要:原文鏈接如何設計一個比特幣錢包服務概述總所周知,比特幣全節點的實現目前有兩個版本,一個是中本聰寫的原版,一個是語言寫的。查詢最新區塊高度,錢包轉賬后通過區塊高度來計算交易是否已經確認,比特幣是個區塊確認。

原文鏈接 https://github.com/liyue201/b...

如何設計一個比特幣錢包服務 概述

總所周知,比特幣全節點的實現目前有兩個版本,一個是中本聰c++寫的原版bitcoin core,一個是go語言寫的btcd。這兩個版本從功能上并沒有多大差異,都實現了比特幣協議。從理論上講,比特幣網絡中的每個全節點只要遵循相同的比特幣協議,至于用什么語言實現,用什么方式存儲都是無所謂的。bitcoin core和btcd都沒有實現通用的錢包服務,這里說的錢包服務指的是一個可以給錢包app提供所數據的服務,私鑰保存在錢包app中,用戶交易在錢包app中簽名,再將簽名數據發給錢包服務,再由錢包服務轉發到全節點上鏈,如圖:

所幸的是全節點提供了一些JSON RPC接口,通過這些接口可以讀取區塊數據和發起轉賬交易。但是能讀到的數據還是太原始了,就連獲取某個地址的余額都做不到。因為比特幣使用的是UTXO賬號體系,并沒有一個統一的地方存儲地址余額,只有UTXO。而UTXO是分散在每個區塊中的,要想知道某個地址的UTXO,需要從第一個區塊開始遍歷。有些人說這樣設計可以更好的并發執行,這個鄙人真的不敢茍同。說可以更好的溯源倒是真的,因為每一筆交易都可以追溯到上一筆交易。

錢包服務功能

好了,廢話不多說,我們看一下一個錢包服務應該具備什么樣的功能。

(1)查詢任意一個地址的余額,錢包需要知道自己地址的余額。

(2)查詢任意一個地址的UTXO,錢包轉賬時需要UTXO來簽名打包。

(3)發起轉賬交易。錢包需要調服務發起轉賬交易。

(4)查詢任意一個地址的歷史交易記錄。

(5)查詢最新區塊高度,錢包轉賬后通過區塊高度來計算交易是否已經確認,比特幣是6個區塊確認。

第(1)(2)點實際上是一個問題,知道UTXO自然就知道余額了。第(3)(5)可以直接調全節點接口。所以錢包服務的難點只剩下(2)(4)這兩個功能。錢包服務要做的就是從全節點從第一個區塊開始遍歷讀取所有的交易記錄,并推導出每個地址當前區塊高度的UTXO,再將這個信息保存到數據庫中方便錢包使用。

全節點選擇

bitcoin core 雖然是原版的比特幣全節點,但是他只提供了http接口,沒有websocket接口,不能實時推送未上鏈的交易。一個體驗好的錢包不僅要獲取已經上鏈的交易記錄,也要知道未上鏈的交易。btcd不僅提供了http接口,還有websocket,所以btcd應該是更好的選擇。

數據庫選型

到目前為止(2018-12-26)比特幣的交易量是3.6億,因為一筆交易涉及到多個輸入和多個輸出地址(如果你研究過區塊鏈瀏覽器上的數據,會發現一筆交易幾千個輸入和幾千個輸出都是很正常的,這樣可以省礦工費,可能是交易所轉賬),解析出來后大約是16.6億條(這個我自己跑的數據)。若是用傳統的關系型數據庫肯定扛不住的,所以一般人都會往nosql或者列式數據庫方向考慮,比如用mongo或cassandra等。雖然能夠解決問題,但是面對這么大的數據,這類型的數據庫都需要部署分片集群。對于一個小創業公司來說,如果用戶不是很多,從運維成本上來看,是不是都點殺雞用牛刀大感覺呢。有沒有經濟實惠的方案?當然有,比如leveldb和rocksdb這類kv嵌入式數據庫,只需要單個機器就可以滿足要求。在幾億數據量情況下,leveldb在普通硬盤上讀寫速度可以達到幾萬每秒,使用ssd硬盤更快,而且內存占用極少。當然使用leveldb或rocksdb,也有其缺點,就是單機數據安全的問題,如果硬盤壞了怎么辦。恰好我們這個業務對數據的安全性要求并不高,因為所有數據都是從全節點來的,要是硬盤壞了,大不了重新跑一遍數據。rocksdb是facebook的開源產品,據說是對leveldb做了優化,性能更強。rocksdb是c++寫的,而leveldb除了c++版本之外,還有go語言版本,比特幣全節點btcd和以太坊全節點geth都是用的go版本的leveldb。最終我選擇了leveldb,因為我的服務是用go寫的,雖然go也可以通過cgo調用C++,但是代碼寫起來沒有純go那么舒服。

數據結構

leveldb是kv數據庫,沒有表的概念,所以數據結構的設計非常關鍵。比如地址的歷史交易記錄,在關系型數據庫中可以建一個以地址為索引的歷史交易記錄表。而kv數據庫則沒有索引的概念。好在level的key是有序的,可以根據key的順序讀取內容。根據這個特性,我們可以這樣設計索引,每個地址的交易是一組key,這組key在數據庫的所有key中是緊挨著的。這樣只要知道某個地址的第一個索引key就可以按順序讀到這個地址的其他交易。因為一個交易涉及到多個輸入地址和輸出地址所以需要索引跟數據分開,對于utxo只關聯到一個地址,就不需要多帶帶設計索引了,索引跟數據可以放在一起。

數據結構設計好了,該怎么存。這個就是序列化的問題了,可以是json,或者go自帶的gob,也可以自己寫。最后從編碼難度,執行效率和壓縮率等方面綜合考慮采用了protobuf。這是我的proto文件

syntax = "proto3";

package models;

//key:  utxo-{addr}-{Transaction.id}-{Transaction.vout}
message Utxo {
   string  txId            = 1;
   uint32  vout            = 2;
   int64   amount          = 3;
   string  scriptPubKey    = 4;
}

//context
//key:  context
message Context {
   int64               blockHeight      = 1;   // 當前處理的區塊高度
   string              blockHash        = 2;   // 當前處理的區塊hash
   int32               blockTotalTx     = 3;   // 當前區塊的交易數
   int32               BlockProcessedTx = 4;   // 當前區塊已經處理的交易數
   int64               totalTx          = 5;   // 總共的交易數
   int64               totalTxNode      = 6;   //
}

message TxInput {
   string  txId    = 1;    //上一筆交易id
   uint32  vout    = 2;    //上一筆交易輸出的idx
   string  addr    = 3;    //通過查詢獲得
   int64   amount  = 4;    //通過查詢獲得
}

message TxOutput {
   string  addr         = 1;
   int64   amount       = 2;
   uint32  vout         = 3;
   string  scriptPubKey = 4;
}

//key:  tx-{Transaction.txId}
message Transaction {
   int64   id                  = 1; //自增di
   string  txId                = 2;
   int64   blockTime           = 3;
   string  blockHash           = 4;
   int64   blockHeight         = 5;
   repeated TxInput inputs     = 6;
   repeated TxOutput outputs   = 7;
}

//key: txnode-{addr}-{TxNode.id}
message TxNode{
   int64  id           = 1;    //自增di
   string txId         = 2;
   uint32 type         = 3;    //1-intput 2-output  3-intput|output
}
總結

這個項目的難點不在編碼而是技術選型,當然還有調試。代碼寫完后經過漫長的同步,大概半個月才同步完成。 只有同步完成才能進行完整的功能測試,若果有數據的bug還得從頭開始同步。需要注意的是這里只是設計了已經確認的區塊,對于未確認的區塊和內存池的交易要多帶帶考慮。

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