比特币交易机制解析：从输入输出到脚本验证

在比特币系统中，交易是核心组成部分，所有模块都围绕交易的创建、传播、验证和记录展开。本文将深入探讨比特币交易的组成结构、验证流程及关键脚本机制，帮助读者全面理解其运行原理。

交易的基本概念

比特币交易类似于复式记账，每笔交易包含一个或多个“输入”和“输出”。输入指向支付方的资金来源，输出则指定接收方的资金去向。输入和输出的总额差异即为交易手续费，归矿工所有。

交易的核心是未花费交易输出（UTXO），每个UTXO只能被引用一次，一旦被使用即变为已花费交易输出（STXO）。用户的比特币余额实际上是其地址下所有UTXO的总和。

交易结构详解

交易输出（Output）

交易输出包含两个关键字段：

• value：比特币数量，以“聪”为单位（1 BTC = 100,000,000聪）
• scriptPubKey：锁定脚本，定义使用该输出所需满足的加密条件

示例输出代码：

"vout": [
  {
    "value": 0.01500000,
    "scriptPubKey": "OP_DUP OP_HASH160 ab68025513c3dbd2f7b92a94e0581f5d50f654e7 OP_EQUALVERIFY OP_CHECKSIG"
  }
]

交易输入（Input）

交易输入通过引用现有UTXO来创建新交易，包含四个要素：

• txid：所引用UTXO的交易ID
• vout：UTXO在输出中的索引号
• scriptSig：解锁脚本，提供所有权证明
• sequence：序列号，用于替换交易

示例输入代码：

"vin": [
  {
    "txid": "7957a35fe64f80d234d76d83a2a8f1a0d8149a41d81de548f0a65a8a999f6f18",
    "vout": 0,
    "scriptSig": "3045022100884d142d86652a3f47ba4746ec719bbfbd040a570b1deccbb6498c75c4ae24cb02204b9f039ff08df09cbe9f6addac960298cad530a863ea8f53982c09db8f6e3813[ALL] 0484ecc0d46f1918b30928fa0e4ed99f16a0fb4fde0735e7ade8416ab9fe423cc5412336376789d172787ec3457eee41c04f4938de5cc17b4a10fa336a8d752adf"
  }
]

交易验证流程

比特币节点验证交易时执行以下步骤：

1. 检索输入引用的UTXO
2. 提取解锁脚本（scriptSig）和锁定脚本（scriptPubKey）
3. 组合并执行验证脚本
4. 根据执行结果判断交易有效性

验证过程确保只有UTXO的合法所有者才能使用资金，👉查看实时验证工具可深入了解这一过程。

脚本系统详解

脚本语言特性

比特币使用基于堆栈的脚本语言，具有以下特点：

• 逆波兰表达式结构
• 图灵非完备性（无循环和复杂流控制）
• 有限的复杂性和可预测执行次数

常见脚本类型

P2PKH（支付到公钥哈希）
最常见的脚本类型，锁定脚本格式：

OP_DUP OP_HASH160 <公钥哈希> OP_EQUALVERIFY OP_CHECKSIG

对应解锁脚本提供签名和公钥，验证通过后即可使用资金。

多重签名脚本
支持M-N签名方案，需要至少M个签名才能解锁N个公钥锁定的资金。锁定脚本格式：

M <公钥1> ... <公钥N> N CHECKMULTISIG

P2SH（支付到脚本哈希）
解决多重签名脚本冗长问题，通过哈希值引用赎回脚本。锁定脚本简化为：

HASH160 <赎回脚本哈希> EQUAL

实际验证时需提供与哈希匹配的赎回脚本和相应签名。

脚本执行过程

脚本从左到右执行，数据压入堆栈，操作码从堆栈弹出参数并进行操作。以简单算术验证为例：

解锁脚本：2
锁定脚本：3 OP_ADD 5 OP_EQUAL
组合脚本：2 3 OP_ADD 5 OP_EQUAL

执行过程：压入2和3，OP_ADD弹出两数相加后压入5，OP_EQUAL比较5和5返回true。

安全机制与创新

比特币的脚本系统通过密码学原理保障安全：

• 数字签名确保所有权验证
• 哈希算法保证数据完整性
• 图灵非完备性防止无限循环
• 2010年后解锁脚本和锁定脚本分开执行，避免堆栈污染

P2SH等创新方案在保持安全性的同时提高了灵活性，使复杂交易脚本更易于处理。

常见问题

什么是UTXO？
UTXO（未花费交易输出）是比特币交易的基本单位，类似于现金系统中的纸币。每个UTXO只能一次性使用，使用后即从UTXO集中移除。

交易手续费如何计算？
手续费等于输入总额减输出总额。用户可自主设置手续费金额，较高费用通常能获得更快的确认速度。

比特币脚本支持智能合约吗？
虽然比特币脚本具有一定的可编程性，但由于图灵非完备性和操作码限制，只能支持相对简单的合约逻辑，无法实现以太坊等平台的复杂智能合约。

多重签名有什么实际用途？
多重签名可用于提高安全性（要求多个设备签名）、企业管理（要求多个主管批准）和托管服务（第三方仲裁），有效防止单点故障。

P2SH相比直接多重签名有何优势？
P2SH将复杂脚本的存储负担从支付方转移至接收方，减少了交易数据大小，降低了交易费用，同时提高了隐私性。

交易验证失败常见原因有哪些？
主要包括：签名无效、双花尝试、脚本执行错误、手续费不足、格式错误等。节点会拒绝无效交易而不将其纳入区块链。

通过理解比特币交易的核心机制，用户可以更安全地使用比特币网络，开发者也能更好地构建相关应用程序。比特币的交易系统虽然复杂，但其精巧的设计保证了网络的安全性和可靠性，为去中心化数字货币奠定了坚实基础。