开源 Bitcoin P2P电子货币系统背后的技术 （三）

转载：http://www.showmuch.com/article/article_120.html

前面讲了交易单，接下来讲讲交易单的类型和交易验证的实现细节。

交易的类型与验证

交易单(Transaction)目前被bitcoin分为3种：

1. 按IP地址转账(Transfer)
2. 按接收地址转账(Transfer)
3. 造币(Generation)

通过前面对交易单的描述，我想大家应该已经知道，交易的验证是通过不断的追溯交易单来完成的。那么交易验证的细节是如何实现的，bitcoin的交易验证的实现细节是很意思的，它是通过脚本来实现验证的，这样bitcoin就实现了一个可被脚本扩展的行为，更加广义的”交易”，这可以保证足够的灵活性和可扩展，可以想象也许以后会有真正的分布式计算任务跑在上面作为一笔交易。因此要想讲清楚验证的细节，就不得不从脚本系统讲起了。

脚本系统

Bitcoin的脚本系统是使用类FORTH语言（FORTH在嵌入式设备中是我最喜欢的一种语言）实现的，FORTH系统是面向栈的“高级机器”语言，它兼具了高级语言的特性（面向WORD）和机器语言的高性能与小尺寸，唯一的缺点就是可读性不高，基本上可以把FORTH当一种高级的机器语言吧。Bitcoin在实现上做了许多简化和特殊实现，所以只能算是类FORTH的系统。

在FORTH系统中所有的命令(函数)都被称为单词（WORD），所有数据的处理都要压入数据栈上进行，所以FORTH被称为面向栈的语言。
比如 1和2相加，在FORTH系统中则是 1 2 ＋，数字 1，2 表示将它们压入到数据栈中（在FORTH解释器执行后实际指令会有OP_PUSH），＋的操作则是将栈顶和次栈顶的数字取出并相加，并将结果压回数据栈。

Bitcoin的脚本系统的所有的操作指令（单词）见后面的附录，不是所有的操作指令都能被执行支持，因为安全上的考虑有的操作指令被禁止掉了，比如大多数的字符串操作和乘除运算。

在FORTH系统中一般会定义该系统是8位FORTH, 16位FORTH还是32/64位FORTH，这和数据栈的值长有关。在Bitcoin中的脚本系统使用的堆栈是用（vector<vector<unsigned char> >）来模拟的，它在数据栈的每一项都是以字符串的形式存放，它的数值是统一用CBigNum来运算的（读到这里应该明白为啥bitcoin会限制乘除运算了），每一次从数据栈中压入(CBigNum.getvch())或者取出数值(CastToBigNum(stacktop[-1]))都要进行一次转换。看着这样的实现，让我有点发怵，本能的不喜欢，怎么能把高效的FORTH搞成这个样子。Bitcoin的脚本系统与FORTH一样，有两个堆栈，一个数据栈，在Bitcoin中被称为main stack,一个返回栈，在Bitcoin中被称为alt stack（事实上在Bitcoin中将alt stack作为数据栈的中转而还没有作为FORTH意义上的返回栈）. Bitcoin的脚本系统没有实现单词定义，流程跳转，循环控制（FOR, WHILE），对IF的实现非常丑陋。事实上我对Bitcoin的脚本实现不是十分认可，堆栈采用变长的数据值，直接将big number 作为opcode，导致每一次opcode执行开销无法控制，由于没有完整实现FORTH的控制指令，导致用trick的方式来实现IF指令，在bitcoin中也因此无法定义新的WORD。总之我很不喜欢bitcoin的这个脚本引擎实现(参见script.cpp)。

下一篇将接着介绍下和交易验证相关的几个操作符：OP_DUP, OP_HASH160, OP_EQUALVERIFY , OP_CHECKSIG 的功能，现在有点倦了。

enum opcodetype
{
    // push value
    OP_0=0,
    OP_FALSE=OP_0,
    OP_PUSHDATA1=76,
    OP_PUSHDATA2,
    OP_PUSHDATA4,
    OP_1NEGATE,
    OP_RESERVED,
    OP_1,
    OP_TRUE=OP_1,
    OP_2,
    OP_3,
    OP_4,
    OP_5,
    OP_6,
    OP_7,
    OP_8,
    OP_9,
    OP_10,
    OP_11,
    OP_12,
    OP_13,
    OP_14,
    OP_15,
    OP_16,
 
    // control
    OP_NOP,
    OP_VER,
    OP_IF,
    OP_NOTIF,
    OP_VERIF,
    OP_VERNOTIF,
    OP_ELSE,
    OP_ENDIF,
    OP_VERIFY,
    OP_RETURN,
 
    // stack ops
    OP_TOALTSTACK,
    OP_FROMALTSTACK,
    OP_2DROP,
    OP_2DUP,
    OP_3DUP,
    OP_2OVER,
    OP_2ROT,
    OP_2SWAP,
    OP_IFDUP,
    OP_DEPTH,
    OP_DROP,
    OP_DUP,
    OP_NIP,
    OP_OVER,
    OP_PICK,
    OP_ROLL,
    OP_ROT,
    OP_SWAP,
    OP_TUCK,
 
    // splice ops
    OP_CAT,
    OP_SUBSTR,
    OP_LEFT,
    OP_RIGHT,
    OP_SIZE,
 
    // bit logic
    OP_INVERT,
    OP_AND,
    OP_OR,
    OP_XOR,
    OP_EQUAL,
    OP_EQUALVERIFY,
    OP_RESERVED1,
    OP_RESERVED2,
 
    // numeric
    OP_1ADD,
    OP_1SUB,
    OP_2MUL,
    OP_2DIV,
    OP_NEGATE,
    OP_ABS,
    OP_NOT,
    OP_0NOTEQUAL,
 
    OP_ADD,
    OP_SUB,
    OP_MUL,
    OP_DIV,
    OP_MOD,
    OP_LSHIFT,
    OP_RSHIFT,
 
    OP_BOOLAND,
    OP_BOOLOR,
    OP_NUMEQUAL,
    OP_NUMEQUALVERIFY,
    OP_NUMNOTEQUAL,
    OP_LESSTHAN,
    OP_GREATERTHAN,
    OP_LESSTHANOREQUAL,
    OP_GREATERTHANOREQUAL,
    OP_MIN,
    OP_MAX,
 
    OP_WITHIN,
 
    // crypto
    OP_RIPEMD160,
    OP_SHA1,
    OP_SHA256,
    OP_HASH160,
    OP_HASH256,
    OP_CODESEPARATOR,
    OP_CHECKSIG,
    OP_CHECKSIGVERIFY,
    OP_CHECKMULTISIG,
    OP_CHECKMULTISIGVERIFY,
 
    // expansion
    OP_NOP1,
    OP_NOP2,
    OP_NOP3,
    OP_NOP4,
    OP_NOP5,
    OP_NOP6,
    OP_NOP7,
    OP_NOP8,
    OP_NOP9,
    OP_NOP10,
 
    // template matching params
    OP_PUBKEYHASH = 0xfd,
    OP_PUBKEY = 0xfe,
 
    OP_INVALIDOPCODE = 0xff,
};

 

附录Bitcoin脚本系统单词列表

参见：https://en.bitcoin.it/wiki/Script：

常量

常量就是用来把数据压入栈中的单词：

单词	虚拟指令(opcode)	输入	输出	Description
OP_0, OP_FALSE	0	Nothing.	0	压入数字0到栈中
N/A	1-75	(special)	data	将紧随 opcode 的data数据 opcode个字节压入到堆栈。opcode兼作数据长度指示。
OP_PUSHDATA1	76	(special)	data	紧随该指令的下一个字节是被压入数据大小，然后是被压入数据
OP_PUSHDATA2	77	(special)	data	紧随该指令的两个字节是被压入数据大小，然后是被压入数据.
OP_PUSHDATA4	78	(special)	data	紧随该指令的4个字节是被压入数据大小，然后是被压入数据.
OP_1NEGATE	79	无.	-1	压入-1
OP_1, OP_TRUE	81	无.	1	压入1.
OP_2-OP_16	82-96	无.	2-16	2－16被压入.

控制流

单词	Opcode	输入	输出	描述
OP_NOP	97	无	无	空指令.
OP_IF	99	<expression> if [statements] [else [statements]] endif		If 判断指令，取出栈顶值，如果栈顶值为1, 则if后面的语句被执行，否则else中的语句被执行。
OP_NOTIF	100	<expression> ifnot [statements] [else [statements]] endif		Ifnot 判断指令，取出栈顶值，如果栈顶值为0, 则if后面的语句被执行，否则else中的语句被执行。
OP_ELSE	103	<expression> if [statements] [else [statements]] endif		放置在 OP_IF 或OP_NOTIF 后的指令，当前面的条件不满足的时候执行
OP_ENDIF	104	<expression> if [statements] [else [statements]] endif		结束  if/else 执行块.
OP_VERIFY	105	True / false	Nothing / False	标记交易单无效 如果栈顶值不为真。当栈顶值为真，移除该栈顶值，否则保留该值。
OP_RETURN	106	Nothing	Nothing	标记交易单无效.

堆栈操作

Word	Opcode	Input	Output	Description
OP_TOALTSTACK	107	x1	(alt)x1	从数据栈中弹出栈顶 数据，压入辅助栈。
OP_FROMALTSTACK	108	(alt)x1	x1	从辅助栈弹出栈顶数据压入到数据栈
OP_IFDUP	115	x	x / x x	如果栈顶非0则复制栈顶
OP_DEPTH	116	Nothing	<Stack size>	获取堆栈数据个数
OP_DROP	117	x	Nothing	丢弃栈顶数据.
OP_DUP	118	x	x x	复制栈顶数据.
OP_NIP	119	x1 x2	x2	丢弃次栈顶数据
OP_OVER	120	x1 x2	x1 x2 x1	复制次栈顶数据到栈顶.
OP_PICK	121	xn … x2 x1 x0 <n>	xn … x2 x1 x0 xn	复制第n项数据到栈顶.
OP_ROLL	122	xn … x2 x1 x0 <n>	… x2 x1 x0 xn	将第n项数据移到栈顶.
OP_ROT	123	x1 x2 x3	x2 x3 x1	栈顶3项数据向左旋转.
OP_SWAP	124	x1 x2	x2 x1	栈顶2项数据交换.
OP_TUCK	125	x1 x2	x2 x1 x2	栈顶数据复制并插入到次栈顶数据前
OP_2DROP	109	x1 x2	Nothing	同 DROP，只是数据项是2项.
OP_2DUP	110	x1 x2	x1 x2 x1 x2	同 DUP，只是数据项是2项.
OP_3DUP	111	x1 x2 x3	x1 x2 x3 x1 x2 x3	同 DUP，只是数据项是3项.
OP_2OVER	112	x1 x2 x3 x4	x1 x2 x3 x4 x1 x2	同 OVER，只是数据项是2项.
OP_2ROT	113	x1 x2 x3 x4 x5 x6	x3 x4 x5 x6 x1 x2	同 ROT，只是数据项是2项.
OP_2SWAP	114	x1 x2 x3 x4	x3 x4 x1 x2	同 SWAP，只是数据项是2项.

字符串处理

字符串处理的大多数指令都被禁止了。

Word	Opcode	Input	Output	Description
OP_CAT	126	x1 x2	out	Concatenates two strings. [禁止]
OP_SUBSTR	127	in begin size	out	Returns a section of a string. [禁止]
OP_LEFT	128	in size	out	Keeps only characters left of the specified point in a string. [禁止]
OP_RIGHT	129	in size	out	Keeps only characters right of the specified point in a string. [禁止]
OP_SIZE	130	in	in size	返回字符串长度

位运算

Word	Opcode	Input	Output	Description
OP_INVERT	131	in	out	Flips all of the bits in the input. [禁止]
OP_AND	132	x1 x2	out	Boolean and between each bit in the inputs. [禁止]
OP_OR	133	x1 x2	out	Boolean or between each bit in the inputs. [禁止]
OP_XOR	134	x1 x2	out	Boolean exclusive or between each bit in the inputs. [禁止]
OP_EQUAL	135	x1 x2	True / false	Returns 1 if the inputs are exactly equal, 0 otherwise.
OP_EQUALVERIFY	136	x1 x2	True / false	Same as OP_EQUAL, but runs OP_VERIFY afterward.

数学运算

Word	Opcode	Input	Output	Description
OP_1ADD	139	in	out	1 is added to the input.
OP_1SUB	140	in	out	1 is subtracted from the input.
OP_2MUL	141	in	out	The input is multiplied by 2. [禁止]
OP_2DIV	142	in	out	The input is divided by 2. [禁止]
OP_NEGATE	143	in	out	The sign of the input is flipped.
OP_ABS	144	in	out	The input is made positive.
OP_NOT	145	in	out	If the input is 0 or 1, it is flipped. Otherwise the output will be 0.
OP_0NOTEQUAL	146	in	out	Returns 1 if the input is 0. 0 otherwise.
OP_ADD	147	a b	out	a is added to b.
OP_SUB	148	a b	out	b is subtracted from a.
OP_MUL	149	a b	out	a is multiplied by b. [禁止]
OP_DIV	150	a b	out	a is divided by b. [禁止]
OP_MOD	151	a b	out	Returns the remainder after dividing a by b. [禁止]
OP_LSHIFT	152	a b	out	Shifts a left b bits, preserving sign. [禁止]
OP_RSHIFT	153	a b	out	Shifts a right b bits, preserving sign. [禁止]
OP_BOOLAND	154	a b	out	If both a and b are not 0, the output is 1. Otherwise 0.
OP_BOOLOR	155	a b	out	If a or b is not 0, the output is 1. Otherwise 0.
OP_NUMEQUAL	156	a b	out	Returns 1 if the numbers are equal, 0 otherwise.
OP_NUMEQUALVERIFY	157	a b	out	Same as OP_NUMEQUAL, but runs OP_VERIFY afterward.
OP_NUMNOTEQUAL	158	a b	out	Returns 1 if the numbers are not equal, 0 otherwise.
OP_LESSTHAN	159	a b	out	Returns 1 if a is less than b, 0 otherwise.
OP_GREATERTHAN	160	a b	out	Returns 1 if a is greater than b, 0 otherwise.
OP_LESSTHANOREQUAL	161	a b	out	Returns 1 if a is less than or equal to b, 0 otherwise.
OP_GREATERTHANOREQUAL	162	a b	out	Returns 1 if a is greater than or equal to b, 0 otherwise.
OP_MIN	163	a b	out	Returns the smaller of a and b.
OP_MAX	164	a b	out	Returns the larger of a and b.
OP_WITHIN	165	x min max	out	Returns 1 if x is within the specified range (left-inclusive), 0 otherwise.

加密相关

Word	Opcode	Input	Output	Description
OP_RIPEMD160	166	in	hash	The input is hashed using RIPEMD-160.
OP_SHA1	167	in	hash	The input is hashed using SHA-1.
OP_SHA256	168	in	hash	The input is hashed using SHA-256.
OP_HASH160	169	in	hash	The input is hashed twice: first with SHA-256 and then with RIPEMD-160.
OP_HASH256	170	in	hash	The input is hashed two times with SHA-256.
OP_CODESEPARATOR	171	Nothing	Nothing	All of the signature checking words will only match signatures to the data after the most recently-executed OP_CODESEPARATOR.
OP_CHECKSIG	172	sig pubkey	True / false	The entire transaction’s outputs, inputs, and script (from the most recently-executed OP_CODESEPARATOR to the end) are hashed. The signature used by OP_CHECKSIG must be a valid signature for this hash and public key. If it is, 1 is returned, 0 otherwise.
OP_CHECKSIGVERIFY	173	sig pubkey	True / false	Same as OP_CHECKSIG, but OP_VERIFY is executed afterward.
OP_CHECKMULTISIG	174	sig1 sig2 … <number of signatures> pub1 pub2 <number of public keys>	True / False	For each signature and public key pair, OP_CHECKSIG is executed. If more public keys than signatures are listed, some key/sig pairs can fail. All signatures need to match a public key. If all signatures are valid, 1 is returned, 0 otherwise.
OP_CHECKMULTISIGVERIFY	175	sig1 sig2 … <number of signatures> pub1 pub2 … <number of public keys>	True / False	Same as OP_CHECKMULTISIG, but OP_VERIFY is executed afterward.

伪词（Pseudo-words）

下列词汇用于在内部使用，在脚本系统中实际上不存在的词。

Word	Opcode	Description
OP_PUBKEYHASH	253	表示OP_HASH160 后的公开**散列
OP_PUBKEY	254	表示一个公开**（可以被 OP_CHECKSIG）.
OP_INVALIDOPCODE	255

保留词（Reserved words）

没有被定义的opcode被保留以后使用，如果在脚本中使用这些保留词，要么被忽略，要么使得交易无效。

Word	Opcode	When used…
OP_RESERVED	80	Transaction is invalid
OP_VER	98	Transaction is invalid
OP_VERIF	101	Transaction is invalid
OP_VERNOTIF	102	Transaction is invalid
OP_RESERVED1	137	Transaction is invalid
OP_RESERVED2	138	Transaction is invalid
OP_NOP1-OP_NOP10	176-185	The word is ignored.