用GO语言实现比特币算法

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发布日期 2013 年 6 月 1 日 作者 changjia 在 技术指南, 比特科技 有 0 评论 本节的这个例子展示一点点高精度数学包math/big、一点点散列包hash、一点点加密包crypto，还有一点点测试包testing的知识。这里不介绍bitcoin协议和算法——尽管它们很有趣，而是试图指出，Go对多种操作系统的支持，是实现这种跨平台应用的理想语言。
位钱（bitcoin）是一种使用加密手段制作的分布式电子货币。它最初于1998年由Wei Dai提出，并由中本聪（Satoshi Nakamoto）及其伙伴，于2009年在Windows、Linux和Mac OS X上实现。这些客户端软件帮助用户管理电子钱包，钱包里面包括一系列的公钥加密密钥对（public-key cryptographic keypair）。每个密钥对的公钥（public key）转化为一个位钱地址，作为交易的接收地址。这个地址是可以供人使用的，大约33个字符，使用的是Base58的编码方式。而每个私钥（private key）用来签发发自此钱包的交易。

我们看看如何使用Go来完成位钱地址所需的Base58编码：
package bitcoin
import (
“math/big”
“strings”
)
const base58 = “123456789ABCDEFGHJKLMNPQRSTUVWXYZabcdefghijk lmnopqrstuvwxyz”
func EncodeBase58(ba []byte) []byte {
if len(ba) == 0 {
return nil
}
//Expected size increase from base58 conversion 25 approximately 137%,use 138% to be safe
ri := len(ba) * 138 / 100
ra := make([]byte, ri+1)
x := new(big.Int).SetBytes(ba) // ba is big-endian
x.Abs(x)
y := big.NewInt(58)
m := new(big.Int)
for x.Sign() > 0 {
x, m = x.DivMod(x, y, m)
ra[ri] = base58[int32(m.Int64())]
ri–
}
//Leading zeros encoded as base58 zeros
for i := 0; i < len(ba); i++ {
if ba<i> != 0 {
break
}
ra[ri] = ’1′
ri–
}
return ra[ri+1:]
}
func DecodeBase58(ba []byte) []byte {
if len(ba) == 0 {
return nil
}
x := new(big.Int)
y := big.NewInt(58)
z := new(big.Int)
for _, b := range ba {
v := strings.IndexRune(base58, rune(b))
z.SetInt64(int64(v))
x.Mul(x, y)
x.Add(x, z)
}
xa := x.Bytes()
// Restore leading zeros
i := 0
for i < len(ba) && ba<i> == ’1′ {
i++
}
ra := make([]byte, i+len(xa))
copy(ra[i:], xa)
return ra
}
func EncodeBase58Check(ba []byte) []byte {
//add 4-byte hash check to the end
hash := Hash(ba)
ba = append(ba, hash[:4]…)
ba = EncodeBase58(ba)
return ba
}
func DecodeBase58Check(ba []byte) bool {
ba = DecodeBase58(ba)
if len(ba) < 4 || ba == nil {
return false
}
k := len(ba) – 4
hash := Hash(ba[:k])
for i := 0; i < 4; i++ {
if hash<i> != ba[k+i] {
return false
}
}
return true
}
big包实现的是任意精度的整数和分数运算，包括四则运算、位运算、取余数、幂、求最大公约数和随机数等。在计算超长位密码时，通常会用到这些运算，例如256位的SHA算法。此处，我们直接把任意长度的字节切片作为一个整数，除以58取余数，就方便地得到了这个字节切片的Base58编码。
big包运算通常使用func (z *Int) Op(x, y *Int) *Int格式。计算是在z上进行的，并且返回z。所以多个运算可以连续地执行。例如，x.Mul(x,y).Add(x.z)和下面分开写的形式是等价的：
x.Mul(x, y)
x.Add(x, z)
位钱地址编码使用EncodeBase58Check函数，它把一个切片散列两次得到的4字节加在后面，再使用Base58编码，把它转换为人可以读的、由58个字符组成的字符串。而DecodeBase58Check则用来检查这4字节，确保地址没有传输错误。
作为电子支付手段，比特币是未雨绸缪、宁枉勿纵的。它在散列时不仅使用了很可靠的SHA256算法，而且还要散列两次：
package bitcoin
import (
“crypto/sha256″
“hash”
)
var sha, sha2 hash.Hash
func init() {
sha = sha256.New()
sha2 = sha256.New() // hash twice
}
func Hash(ba []byte) []byte {
sha.Reset()
sha2.Reset()
ba = sha.Sum(ba)
return sha2.Sum(ba)
}
hash.Hash是一个界面，而具体实现依靠的是SHA256算法。这里可以看到Go的加密包使用起来是多么简单。无论使用怎样的散列算法，只要一个New和一个Sum就可以了。Reset用于将值重新置0。Size用于返回Sum所需的字节数。而它还内置了另一个界面io.Writer，可以使用Writer提供的方法追加数值。
crypto包的子目录提供了一些常用的散列算法和加密解密算法，例如MD5、SHA1、SHA256等散列算法；AES、DES、Elliptic等加密算法，以及RSA、DSA、TLS等协议。这些都用来实现对Go的http包所使用的HTTPS因特网加密通信协议的支持。我们此处只是使用了最简单的SHA256算法。说它简单，不是因为算法简单，也不是因为计算机代码实现简单，而是编程界面API简单。对于普通程序员来说，能够正确实施复杂精密的密码操作才是最关键的。Go在简化API方面可以说是不遗余力。只要访问http://code.google.com/p/go/，看看crypto和hash这两个包的API的演变过程就很清楚了。在密码学里，这通常总结为：链条断在最弱的一环。而写程序的人，总是最不可靠、最易出差错的。
为了确保程序少出差错，最直接的做法是随程序源代码一起编写测试用例。每次修订程序时，就自动测试，保证没有不同结果。Go的测试包可以使用go test工具。它会自动执行包目录中所有以_test.go结尾的文件里所有以Test开头的使用测试签名的函数。例如：
package bitcoin
import (
“testing”
)
type test struct {
en, de string
}
var golden = []test{
{“”, “”},
{“x61″, “2g”},
{“x62x62x62″, “a3gV”},
{“x63x63x63″, “aPEr”},
{“x73x69x6dx70x6cx79x20x61x20x6cx6fx6ex67x20x73x74x72x69x6ex67″, “2cFupjhnEsSn59qHXstmK2ffpLv2″},
{“x00xebx15x23x1dxfcxebx60x92x58x86xb6x7dx06x52x99x92x59x15xaexb1x72xc0x66x47″, “1NS17iag9jJgTHD 1VXjvLCEnZuQ3rJDE9L”},
{“x51x6bx6fxcdx0f”, “ABnLTmg”},
{“xbfx4fx89x00x1ex67x02x74xdd”, “3SEo3LWLoPntC”},
{“x57x2ex47x94″, “3EFU7m”},
{“xecxacx89xcaxd9x39x23xc0x23x21″, “EJDM8drfXA 6uyA”},
{“x10xc8x51x1e”, “Rt5zm”},
{“x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00″, “1111111111″},
}
func TestEncodeBase58(t *testing.T) {
for _, g := range golden {
s := string(EncodeBase58([]byte(g.en)))
if s != g.de {
t.Errorf(“EncodeBase58. Need=%v, Got=%v”, g.de, s)
}
}
}
func TestDecodeBase58(t *testing.T) {
for _, g := range golden {
s := string(DecodeBase58([]byte(g.de)))
if s != g.en {
t.Errorf(“DecodeBase58. Need=%v, Got=%v”, g.en, s)
}
}
}
func TestBase58Check(t *testing.T) {
ba := []byte(“Bitcoin”)
ba = EncodeBase58Check(ba)
if !DecodeBase58Check(ba) {
t.Errorf(“TestBase58Check. Got=%v”, ba)
}
}
对于编写支持所有桌面操作系统的位钱程序，这只是个开始。Go提供了RIPEMD160散列算法，也提供了ECDSA公钥算法。而Go的网络包net，可以用来实现点对点联网（peer-to-peer networking）。这些已经可以支持位钱的实现了。

文章来源：http://www.ituring.com.cn/article/2495


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