钱包开发经验分享：BTC篇

<h1>钱包开发经验分享：BTC篇</h1>

[TOC]

<h2>BTC节点搭建</h2>

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：<a href="https://lhalcyon.com/blockchain-bitcoin-node/">区块链-Linux下Bitcoin测试节点搭建</a>，没有搭建节点的可以考虑下面几个网站：<a href="https://www.blockcypher.com/dev/bitcoin/#introduction">blockcypher</a>、<a href="https://www.blockchain.com/api/blockchain_api">blockchain</a>、<a href="https://docs.cryptoapis.io/#getting-started">cryptoapis</a>。这篇文章以及后续的关于omniUSDT的文章都是基于这些第三方接口实现的。

<h2>BTC的账户模型——UTXO</h2>

关于UTXO的含义阐述可以参考<a href="https://blog.csdn.net/jfkidear/article/details/90407712">理解比特币的 UTXO、地址和交易</a>，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：

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：

输入列表包含这笔输入对应的上一笔交易的哈希（prevhash）、这笔输入对应的上一笔交易输出的下标(outputindex)，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。

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：

<code>java
/**
* 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<String, Object>> result = new Gson().fromJson(response, Map.class);
Map<String, Object> balanceMap = result.get(address);
BigDecimal finalBalance = BigDecimal.valueOf((double) balanceMap.get("final_balance"));
BigDecimal balance = finalBalance.divide(new BigDecimal(100000000));
return balance.toPlainString();
}
</code>

测试代码：

<code>java
/**
* 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);
}
</code>

若上面例子中，获取测试币的余额的接口<code>https://testnet.blockchain.info/balance?active=mtESbeXpf5qYkbYnphhKEJ7FU3UyQKYQzy</code>失效，可以改用<code>https://api.blockcypher.com/v1/btc/test3/addrs/mtESbeXpf5qYkbYnphhKEJ7FU3UyQKYQzy/balance</code>。

<h2>计算矿工费</h2>

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：

<code></code>`java
/**
 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);

<pre><code> // 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();
}</code></pre>

<code></code>`

测试代码：

<code>java
/**
* 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));
}
</code>

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<a href="https://bitbucket.org/azazar/bitcoin-json-rpc-client/wiki/Home">azazar/bitcoin-json-rpc-client</a>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。

<h2>获取未花费列表</h2>

参考代码：

<code></code>`java
/**
 获取未消费列表
 @param address ：地址
 @return
*/
public static List<UTXO> getUnspent(String address, boolean mainNet) {
List<UTXO> utxos = Lists.newArrayList();
String host = mainNet ? "blockchain.info" : "testnet.blockchain.info";
String url = "https://" + host + "/zh-cn/unspent?active=" + address;
try {

<pre><code> 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<Map> 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;
}
}</code></pre>

<code></code>`

测试代码：

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

上面例子中通过<code>testnet.blockchain.info</code>获取测试钱包未花费列表不可用的话，参考下面的例子。

参考代码：

<code>java
public static List<UTXO> getUnspentFromTestNet(String address) {
List<UTXO> utxos = Lists.newArrayList();
String url = String.format("https://test.bitgo.com/api/v1/address/%s/unspents", 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();
}
if (StringUtils.equals("No free outputs to spend", response)) {
return utxos;
}
JSONObject jsonObject = JSON.parseObject(response);
JSONArray unspentOutputs = jsonObject.getJSONArray("unspents");
List<Map> 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_output_n = outputsMap.get("tx_output_n").toString();
String script = outputsMap.get("script").toString();
String value = outputsMap.get("value").toString();
String confirmations = outputsMap.get("confirmations").toString();
String tx_hash_big_endian = ByteUtil.bytesToHex(ByteUtil.changeBytes(ByteUtil.toBytes(tx_hash)));
UTXO utxo = new UTXO(Sha256Hash.wrap(tx_hash), Long.valueOf(tx_output_n), Coin.valueOf(Long.valueOf(value)),
0, false, new Script(Hex.decode(script)));
utxos.add(utxo);
}
return utxos;
}
</code>

参考代码：

<code></code>`java
/**
 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<UTXO> 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();

<pre><code> Transaction transaction = new Transaction(networkParameters);
DumpedPrivateKey dumpedPrivateKey = DumpedPrivateKey.fromBase58(networkParameters, privateKey);

ECKey ecKey = dumpedPrivateKey.getKey();

long totalMoney = 0;
List<UTXO> 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());
}</code></pre>

<code></code>`

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<a href="https://www.blockcypher.com/dev/bitcoin/#customizing-transaction-requests">blockcypher/send</a>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。

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<a href="https://www.blockcypher.com/dev/bitcoin/#customizing-transaction-requests">blockcypher/send</a>，你也可以选择直接通过<a href="https://blockchair.com/zh/broadcast">交易广播</a>来广播你的交易。

参考代码：

<code>java
/**
* 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;
}
</code>

<h2>估算矿工费</h2>

关于矿工费计算公式的解释，可以参考<a href="https://blog.csdn.net/servletcome/article/details/81941334">BTC手续费计算，如何设置手续费</a>。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：

<code>java
/**
* 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();
}
}
</code>

测试代码：

<code>java
@Test
public void testGetFeeRate(){
logger.warn("feeRate: {}", BtcUtil.feeRate(3));
}
</code>

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：

<code>java
/**
* 获取矿工费用
* @param amount
* @param utxos
* @return
*/
public static Long getFee(long amount, List<UTXO> 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;
}
</code>

测试代码：

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

<h2>优化矿工费</h2>

通过矿工费的计算公式<code>(input*148+34*out+10)*rate</code>，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：

<code></code>`java
@Test
public void testGetFee(){
String address = "17A16QmavnUfCW11DAApiJxp7ARnxN5pGX";
List<UTXO> 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);

<pre><code> 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());
}</code></pre>

<code></code>`

对比结果：

<code>xml
排序前矿工费: 0.00137968, 排序后矿工费: 0.00001808
</code>

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：

优化后：

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。

<h2>生成钱包地址</h2>

参考代码：

<code></code>`java
public static final Map<String, String> btcGenerateBip39Wallet(String mnemonic, String mnemonicPath) {

<pre><code> 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<ChildNumber> pathList = new ArrayList<ChildNumber>();
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<String, String> 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;
}</code></pre>

<code></code>`

测试代码：

<code>java
@Test
public void testGenerateBtcWallet(){
Map<String, String> 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);
}
</code>

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。

<h2>获取测试币</h2>

这里我主要罗列几个获取BTC测试币的网站：

<ul><li><a href="https://coinfaucet.eu/en/btc-testnet/">coinfaucet</a></li><li><a href="https://testnet-faucet.mempool.co/">testnet-faucet</a></li></ul>

钱包开发经验分享：BTC篇

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