钱包开发经验分享：BTC篇

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更新时间:2024-11-13

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钱包开发经验分享：BTC篇 文章目录钱包开发经验分享：BTC篇BTC节点搭建BTC的账户模型——UTXO计算余额计算矿工费：获取未花费列表离线签名广播交易计算矿工费优化矿工费生成钱包地址 BTC节点搭建

关于BTC的第一步，自然是搭建节点。由于BTC流行最久最广，网络上关于BTC的节点搭建，或者在同步节点时出现问题的相关文章很多，我这里就不赘述了（主要是没有环境用来搭建节点）。这里推荐一篇文章：区块链-Linux下Bitcoin测试节点搭建。没有搭建节点的可以考虑一下两个网站：blockcypher、blockchain。

BTC的账户模型——UTXO

关于UTXO的含义阐述可以参考理解比特币的 UTXO、地址和交易，这篇文章对UTXO的阐述我觉得挺全面的。在里面提到：在比特币种，一笔交易的每一条输入和输出实际上都是 UTXO，输入 UTXO 就是以前交易剩下的，更准确的说是以前交易的输出 UTXO。这句阐述得从JSON数据去理解。

每一笔交易包含了大于等于一个输出，如下图：

outputs

输出列表包含了输出数量（value）、输入脚本（script）、地址（addresses）和脚本类型（script_type），我们主要关注输入数量。

每一笔交易的JSON都包含了大于等于零个输入（挖矿收益没有输入），如下图：

inputs

输入列表包含这笔输入对应的上一笔交易的哈希（prev_hash）、这笔输入对应的上一笔交易输出的下标(output_index)，输入脚本（script）、脚本类型（scrip_type）等字段。在输入中最重要的两个字段是上一笔交易的哈希和输出下标，由这两个字段，我们可以轻松找到这笔输入对应上一笔交易的输出，从而从输出中找到这笔输入的数量是多少。

计算余额

由上面的账户模型，我们知道了BTC的账户是由UTXO列表组成，每个账户从创建初期到当前的所有交易就是一系列的输入和输出，这些UTXO通过输入输出的规则串联在一起，形成了链式结构，因此要推算账户余额，我们可以通过计算这一系列的UTXO最终获得余额，但是在实际开发上这样做很消耗性能，因此在开发上我们往往考虑直接从第三方区块链浏览器通过开放API获得计算结果。事实上，基本上结合第三方区块链浏览器开发的API，没有搭建节点我们也可以直接完成很多操作：

参考代码：

    /**
     * 余额
     * @param address
     * @param mainNet
     * @return
     */
    public static String balance(String address, boolean mainNet){
        String host = mainNet ? "blockchain.info" : "testnet.blockchain.info";
        String url = "https://"   host   "/balance?active="   address;
        OkHttpClient client = new OkHttpClient();
        String response = null;
        try {
            response = client.newCall(new Request.Builder().url(url).build()).execute().body().string();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        Map<String, Map> result = new Gson().fromJson(response, Map.class);
        Map balanceMap = result.get(address);
        BigDecimal finalBalance = BigDecimal.valueOf((double) balanceMap.get("final_balance"));
        BigDecimal balance = finalBalance.divide(new BigDecimal(100000000));
        return balance.toPlainString();
    }

测试代码：

	/**
	 * 获取余额
	 * @throws Exception
	 */
	@Test
	public void testGetBTCBalance() throws Exception{
		String address = "17A16QmavnUfCW11DAApiJxp7ARnxN5pGX";
		String balance = BtcUtil.balance(address, true);
		logger.warn("balance: {}", balance);
	}

计算矿工费：

由上面的结论可知，每一笔交易都由零个、一个或多个输入和一个或多个输出组成，每一个输入都指向上一笔交易的输出，这样每一笔交易都由这些输入输出（UTXO）串行而成。一般而言，一笔交易会有一个或多个多个输入，这些输入的数量总和刚好或者大于这次交易的数量，会有一个或多个输出，输出主要有这次交易的收款地址和数量，以及找零地址和找零数量，找零地址通常是原地址，输入的数量总和和输出的数量总和总是不相等的，因为每一笔交易中间包含了矿工费，由此我们可以推断出矿工费的计算方式，即每一笔的输入总和减去输出总和：

参考代码：

    /**
     * 计算矿工费
     * @param txid
     * @param mainNet
     * @return
     */
    public static String fee(String txid, boolean mainNet){
        String host = mainNet ? "blockchain.info" : "testnet.blockchain.info";
        String url = "https://"   host   "/rawtx/"   txid;
        OkHttpClient client = new OkHttpClient();
        String response = null;
        try {
            response = client.newCall(new Request.Builder().url(url).build()).execute().body().string();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        JSONObject jsonObject = JSONObject.parseObject(response);
        // 统计输入总和
        JSONArray inputs = jsonObject.getJSONArray("inputs");
        BigDecimal totalIn = BigDecimal.ZERO;
        for (int i = 0; i < inputs.size(); i  ) {
            JSONObject inputsData = inputs.getJSONObject(0);
            JSONObject prevOut = inputsData.getJSONObject("prev_out");
            totalIn = totalIn.add(prevOut.getBigDecimal("value"));
        }
        // 统计输出总和
        JSONArray outs = jsonObject.getJSONArray("out");
        BigDecimal totalOut = BigDecimal.ZERO;
        for (int i = 0; i < outs.size(); i  ) {
            JSONObject outData = outs.getJSONObject(i);
            totalOut = totalOut.add(outData.getBigDecimal("value"));
        }
        return totalIn.subtract(totalOut).divide(new BigDecimal(100000000)).toPlainString();
    }

测试代码：

	/**
	 * 计算矿工费
	 * https://blockchain.info/rawtx/$tx_hash
	 */
	@Test
	public void testGetMinerFee(){
		String txid = "b8df97b51f54df1c1f831e0e9e5561c03822f6c5a5a59e0118b15836657a4970";
		logger.warn("Fee: {}", BtcUtil.fee(txid, true));
	}

通过第三方区块链浏览器开放的API获取的交易数据和自己搭建节点获取的交易数据有些许不同，如果是自己搭建节点，我推荐使用azazar/bitcoin-json-rpc-client或者其他的封装了bitcoinRPC接口的SDK去实现，这样是最简单，最省事的实现方式，他封装了很多对象，不用我们手动从JSONObject对象去获取需要的数据，而且通过这些SDK我们可以真正像调用方法一样调用bitcoin节点的接口。

获取未花费列表

参考代码：

    /***
     * 获取未消费列表
     * @param address ：地址
     * @return
     */
    public static List getUnspent(String address, boolean mainNet) {
        List utxos = Lists.newArrayList();
        String host = mainNet ? "blockchain.info" : "testnet.blockchain.info";
        String url = "https://"   host   "/zh-cn/unspent?active="   address;
        try {
            OkHttpClient client = new OkHttpClient();
            String response = client.newCall(new Request.Builder().url(url).build()).execute().body().string();
            if (StringUtils.equals("No free outputs to spend", response)) {
                return utxos;
            }
            JSONObject jsonObject = JSON.parseObject(response);
            JSONArray unspentOutputs = jsonObject.getJSONArray("unspent_outputs");
            List outputs = JSONObject.parseArray(unspentOutputs.toJSONString(), Map.class);
            if (outputs == null || outputs.size() == 0) {
                System.out.println("交易异常，余额不足");
            }
            for (int i = 0; i < outputs.size(); i  ) {
                Map outputsMap = outputs.get(i);
                String tx_hash = outputsMap.get("tx_hash").toString();
                String tx_hash_big_endian = outputsMap.get("tx_hash_big_endian").toString();
                String tx_index = outputsMap.get("tx_index").toString();
                String tx_output_n = outputsMap.get("tx_output_n").toString();
                String script = outputsMap.get("script").toString();
                String value = outputsMap.get("value").toString();
                String value_hex = outputsMap.get("value_hex").toString();
                String confirmations = outputsMap.get("confirmations").toString();
                UTXO utxo = new UTXO(Sha256Hash.wrap(tx_hash_big_endian), Long.valueOf(tx_output_n), Coin.valueOf(Long.valueOf(value)),
                        0, false, new Script(Hex.decode(script)));
                utxos.add(utxo);
            }
            return utxos;
        } catch (Exception e) {
            return null;
        }
    }

测试代码：

	/**
	 * 获取未花费列表
	 */
	@Test
	public void testGetUnSpentUtxo(){
		String address = "17A16QmavnUfCW11DAApiJxp7ARnxN5pGX";
		List unspent = BtcUtil.getUnspent(address, true);
		logger.warn("unspent: {}", unspent);
	}

离线签名

参考代码：

    /**
     * 离线签名
     * @param unSpentBTCList
     * @param from
     * @param to
     * @param privateKey
     * @param value
     * @param fee
     * @param mainNet
     * @return
     * @throws Exception
     */
    public static String signBTCTransactionData(List unSpentBTCList, String from, String to, String privateKey, long value, long fee, boolean mainNet) throws Exception {
        NetworkParameters networkParameters = null;
        if (!mainNet)
            networkParameters = MainNetParams.get();
        else
            networkParameters = TestNet3Params.get();
        Transaction transaction = new Transaction(networkParameters);
        DumpedPrivateKey dumpedPrivateKey = DumpedPrivateKey.fromBase58(networkParameters, privateKey);
        ECKey ecKey = dumpedPrivateKey.getKey();
        long totalMoney = 0;
        List utxos = new ArrayList();
        //遍历未花费列表，组装合适的item
        for (UTXO us : unSpentBTCList) {
            if (totalMoney >= (value   fee))
                break;
            UTXO utxo = new UTXO(us.getHash(), us.getIndex(), us.getValue(), us.getHeight(), us.isCoinbase(), us.getScript());
            utxos.add(utxo);
            totalMoney  = us.getValue().value;
        }
        transaction.addOutput(Coin.valueOf(value), Address.fromBase58(networkParameters, to));
        // transaction.
        //消费列表总金额 - 已经转账的金额 - 手续费 就等于需要返回给自己的金额了
        long balance = totalMoney - value - fee;
        //输出-转给自己
        if (balance > 0) {
            transaction.addOutput(Coin.valueOf(balance), Address.fromBase58(networkParameters, from));
        }
        //输入未消费列表项
        for (UTXO utxo : utxos) {
            TransactionOutPoint outPoint = new TransactionOutPoint(networkParameters, utxo.getIndex(), utxo.getHash());
            transaction.addSignedInput(outPoint, utxo.getScript(), ecKey, Transaction.SigHash.ALL, true);
        }
        return Hex.toHexString(transaction.bitcoinSerialize());
    }

签名之后的结果就可以拿去广播了，没有自己搭建节点的可以使用blockcypher/send广播自己的交易。在上面的交易中，找零是自己本身，当然，也可以设置为其他钱包地址。其次，在这个交易中，交易手续费是在前置步骤计算得到的，其计算方式下面会提到。

广播交易

如果是自己搭建了节点，可以直接调用接口广播交易，这里是针对没有搭建节点，但是想要完成整个交易流程的同学们。我们可以在搜索引擎上找到很多可以为我们广播交易的API，我这里使用的是上文提到的blockcypher/send。

参考代码：

    /**
     * 全网广播交易
     * @param tx
     * @param mainNet
     * @return
     */
    public static String sendTx(String tx, boolean mainNet){
        String url = "";
        if(mainNet) {
            url = "https://api.blockcypher.com/v1/btc/main/txs/push";
        }else {
            url = "https://api.blockcypher.com/v1/btc/test3/txs/push";
        }
        OkHttpClient client = new OkHttpClient();
        JSONObject jsonObject = new JSONObject();
        jsonObject.put("tx", tx);
        String response = null;
        try {
            response = client.newCall(new Request.Builder().url(url).post(RequestBody.create(MediaType.parse("application/json"), jsonObject.toJSONString())).build()).execute().body().string();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return response;
    }

计算矿工费

关于矿工费计算公式的解释，可以参考BTC手续费计算，如何设置手续费。通过文章指导，要计算矿工费首先我们需要得到费率，即每字节等于多少聪。

参考代码：

    /**
     * 获取费率
     * @param level 3 fastestFee 2 halfHourFee 1 hourFee default fastestFee
     * @return
     */
    public static String feeRate(int level){
        OkHttpClient client = new OkHttpClient();
        String url = "https://bitcoinfees.earn.com/api/v1/fees/recommended";
        String response = null;
        try {
            response = client.newCall(new Request.Builder().url(url).build()).execute().body().string();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        JSONObject jsonObject = JSONObject.parseObject(response);
        switch (level){
            case 1:
                return jsonObject.getBigDecimal("hourFee").toPlainString();
            case 2:
                return jsonObject.getBigDecimal("halfHourFee").toPlainString();
            default:
                return jsonObject.getBigDecimal("fastestFee").toPlainString();
        }
    }

测试代码：

	@Test
	public void testGetFeeRate(){
		logger.warn("feeRate: {}", BtcUtil.feeRate(3));
	}

获得费率之后就可以计算矿工费了。一般而言，一笔交易包含了若干个输入，这些输入的数量总和刚好能支付这笔交易的数量的时候，输出的体积是最小的，仅一个接收地址的输出，当这些输入的数量总和大于这笔交易的数量时，输出的数量包含了一个接收地址的输出和一个找零的输出，通过上面离线签名的代码也能很容易理解这点。

参考代码：

    /**
     * 获取矿工费用
     * @param amount
     * @param utxos
     * @return
     */
    public static Long getFee(long amount, List utxos) {
        Long feeRate = Long.valueOf(feeRate(3));//获取费率
        Long utxoAmount = 0L;
        Long fee = 0L;
        Long utxoSize = 0L;
        for (UTXO us : utxos) {
            utxoSize  ;
            if (utxoAmount >= (amount   fee)) {
                break;
            } else {
                utxoAmount  = us.getValue().value;
                fee = (utxoSize * 148   34 * 2   10) * feeRate;
            }
        }
        return fee;
    }

测试代码：

	@Test
	public void testGetFee(){
		String address = "17A16QmavnUfCW11DAApiJxp7ARnxN5pGX";
		List unspent = BtcUtil.getUnspent(address, true);
		Long fee = BtcUtil.getFee(100 * 100000000, unspent);
		logger.warn("fee: {}", BigDecimal.valueOf(fee / 100000000.0).toPlainString());
	}

优化矿工费

通过矿工费的计算公式(input*148 34*out 10)*rate，我们很容易想到减少矿工费的手段，主要有两个方面：其一选择较低的矿工费率，这样能明显减低矿工费，因为公式上能明显反映rate和输入输出的体积是倍数关系，所以减小rate是能够最有效减少矿工费的，但是相对的这种方式带来的负面影响也是直接的，它会影响打包的效率。其二是减小输入输出的体积，我们在组装一个能够支付本次交易的列表是，往往是直接遍历未花费列表，累加判断，但是其实我们可以通过一些算法，使得支付当前交易的未花费列表最小化，这个算法计算翻译过来其实是使用尽可能少的列表项，使得交易等式两边成立，根据这个结论，最简单的实现方式就是在使用未花费列表前，先对未花费列表进行倒序排序：

测试代码：

	@Test
	public void testGetFee(){
		String address = "17A16QmavnUfCW11DAApiJxp7ARnxN5pGX";
		List unspents = BtcUtil.getUnspent(address, true);
		Long fee1 = BtcUtil.getFee(100 * 100000000, unspents);
		Collections.sort(unspents, (o1, o2) -> BigInteger.valueOf(o2.getValue().value).compareTo(BigInteger.valueOf(o1.getValue().value)));
		Long fee2 = BtcUtil.getFee(100 * 100000000, unspents);
		logger.warn("排序前矿工费: {}, 排序后矿工费: {}", BigDecimal.valueOf(fee1 / 100000000.0).toPlainString(), BigDecimal.valueOf(fee2 / 100000000.0).toPlainString());
	}

对比结果：

排序前矿工费: 0.00137968, 排序后矿工费: 0.00001808

根据这个想法，我在测试链发起了两笔交易，交易额都是0.012BTC，对比了两笔交易如下：

优化前：

优化前交易.png

优化后：

优化后交易.png

可以看到，优化前有两个输入，优化后只有一个输入，优化后矿工费比优化前少了一些。

生成钱包地址

参考代码：

	public static final Map btcGenerateBip39Wallet(String mnemonic, String mnemonicPath) {
		if (null == mnemonic || "".equals(mnemonic)) {
			byte[] initialEntropy = new byte[16];
			SecureRandom secureRandom = new SecureRandom();
			secureRandom.nextBytes(initialEntropy);
			mnemonic = generateMnemonic(initialEntropy);
		}
		String[] pathArray = mnemonicPath.split("/");
		List pathList = new ArrayList();
		for (int i = 1; i < pathArray.length; i  ) {
			int number;
			if (pathArray[i].endsWith("'")) {
				number = Integer.parseInt(pathArray[i].substring(0, pathArray[i].length() - 1));
			} else {
				number = Integer.parseInt(pathArray[i]);
			}
			pathList.add(new ChildNumber(number, pathArray[i].endsWith("'")));
		}
		DeterministicSeed deterministicSeed = null;
		try {
			deterministicSeed = new DeterministicSeed(mnemonic, null, "", 0);
		} catch (UnreadableWalletException e) {
			throw new RuntimeException(e.getMessage());
		}
		DeterministicKeyChain deterministicKeyChain = DeterministicKeyChain.builder().seed(deterministicSeed).build();
		BigInteger privKey = deterministicKeyChain.getKeyByPath(pathList, true).getPrivKey();
		ECKey ecKey = ECKey.fromPrivate(privKey);
		String publickey = Numeric.toHexStringNoPrefixZeroPadded(new BigInteger(ecKey.getPubKey()), 66);
		// 正式
		String mainNetPrivateKey = ecKey.getPrivateKeyEncoded(MainNetParams.get()).toString();
		Map map = Maps.newHashMap();
		map.put("mnemonic", mnemonic);
		map.put("mainNetPrivateKey", mainNetPrivateKey);
		map.put("publickey", publickey);
		map.put("address", ecKey.toAddress(MainNetParams.get()).toString());
		return map;
	}

测试代码：

	@Test
	public void testGenerateBtcWallet(){
		Map map = AddrUtil.btcGenerateBip39Wallet(null, Constants.BTC_MNEMONIC_PATH);
		String mnemonic = map.get("mnemonic");
		String privateKey = map.get("mainNetPrivateKey");
		String publicKey = map.get("publicKey");
		String address = map.get("address");
		logger.warn("address: {}, mnemonic: {}, privateKey: {}, publicKey: {}", address, mnemonic, privateKey, publicKey);
	}

比特币的钱包地址有一个特征可以区分正式网络还是测试网络，一般比特币钱包地址开头是数字1或3是正式网络，开头是m是测试网络，测试网络和正式网络的钱包地址是不互通的。

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