编出个区块链:数据结构的序列化,看看数字货币如何传输数据

本文详细介绍了区块链开发中的数据序列化,包括非压缩和压缩的SEC格式,以及如何从压缩格式恢复椭圆曲线点。还讨论了签名的DER编码,地址的base58编码以及私钥的WIF格式。此外,代码示例展示了这些编码过程的实现。

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有过区块链开发相关工作经验的同学知道,要开发智能合约的应用,你首先需要通过geth同步以太坊主网,这意味着你需要从其他节点下载很多数据。另外在使用区块链技术时,例如支付,接收数字货币时,“钱包”应用需要发送一系列数据给对方,当我们需要通过网络收发数据时就需要对数据进行序列化。

前面我们了解了很多数据结构,例如有限群,椭圆曲线,公钥,私钥等,相关数据在应用时都需要通过网络进行数据传输,因此相关的数据结构需要进行序列化。对于椭圆曲线上一个点,在序列化时通常采用一种叫做非压缩SEC(standard for efficient cryptography)的数据格式,其步骤为:
1,在开头添加0x04作为标志
2,放置点的x坐标数值,它有32字节
3,放置点的y坐标数值,他有32字节。

相应的序列化代码如下:

    def sec(self):
        '''
        sec压缩在开头写入04,然后跟着32字节的x坐标值,最后跟着32字节的y坐标值
        '''
        return b'\x04' + self.x.num.to_bytes(32, 'big') + self.y.num.to_bytes(32, 'big')

既然有非压缩那就有对应的压缩形态SEC,由于椭圆曲线关于x轴对称,因此给定一个x坐标,它最多对应两个y坐标,这两个y互为相反数。但由于我们作用在椭圆曲线上的点都是有限群里面的元素,对于含有p个元素的群而言(注意到p是素数),如果y是群里面的元素,那么"-y"就是p-y,如果y是偶数,那么p-y就是奇数,反之如果y是奇数,那么p-y就是偶数。利用这个特点我们可以压缩y坐标对应的内容。

于是给定椭圆曲线上一点(x,y),压缩形态SEC生成的步骤为:
1,如果y是奇数,那么以0x03开头,如果是偶数则以0x02开头
2,添加32字节的x坐标值
于是相应实现代码就是:

 def sec(self, compressed = True):
        if compressed:
            if self.y.num % 2 == 0:
                return b'\x02' + self.x.num.to_bytes(32, 'big')
            else:
                return b'\x03' + self.x.num.to_bytes(32, 'big')
        '''
        sec压缩在开头写入04,然后跟着32字节的x坐标值,最后跟着32字节的y坐标值
        '''
        return b'\x04' + self.x.num.to_bytes(32, 'big') + self.y.num.to_bytes(32, 'big')

相对于非压缩形态,压缩形态的序列化就节省了32字节。既然节省掉y,那么接收方收到数据后就需要还原它,还记得椭圆曲线的格式为 y ^ 2 = x^3 + a * x + b,我们知道了x的值,那意味着知道了y平方的值,现在我们需要计算y的值。

假设w, v为有限群的元素,并且有w^2 = v,其中群元素总共有p个。现在我们知道v,我们需要计算w。如果p % 4 = 3,那么我们有好的算法能快速计算w。由于p % 4 = 3, 于是有(p+1) % 4 = 0。也就是(p+1) 能整除4,也就是(p+1) / 4 是一个整数。根据费马小定理 w ^ (p-1) % p = 1, 于是有w ^ 2 = w ^ 2 * 1 = w ^ 2 * (W ^ (p-1) ) = w ^ (p + 1),由于p是奇数,因此(p+1)就能整除2,也就是(p+1)/2 是一个整数,于是就有 w = w ^ ((p+1)/2)。

上面我们提到(p+1)/4是一个整数,于是就有 w = w ^ ((p+1)/2) = w ^ (2 * (p+1)/2) = (w ^ 2) ^ ((p+1)/4) = v ^ ((p+1)/4),于是如果 w ^ 2 = v, 并且有 p % 4 = 3, 那么 w = v ^ ((p+1)/4)。对于比特币使用的椭圆曲线,p值恰好能满足p % 4 = 3。这样一来,我们就将开方运算转为求指数运算,由此有限群元素开方运算的实现代码为:

P = 2 
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