智能合约编写高级篇（二）区块哈希介绍

本文档从区块哈希基本概念出发，详细介绍了中移链的区块哈希交易接口和应用方向。适用于EOS区块链智能合约高级开发人员，熟悉如何获取当前发生交易所在的区块号和区块哈希前缀，并通过Tapos机制验证交易的有效性。

01

概述

（一）哈希算法

哈希算法是可以将任意长度的二进制数据映射为固定长度二进制数据（哈希值）的一种算法。在这个过程中，哈希函数将输入数据通过一系列的复杂运算变换成固定长度的输出，这个值等同于存放数据的地址，这个地址里面再将输入的数据进行存储，所以哈希函数可以将互联网上的数据以固定长度字符串的形式来保存。同时，哈希函数可以用于密码学、数据完整性验证、信息指纹等领域，常见的哈希算法有MD5、SHA-1、SHA-256等。

（二）区块哈希

区块哈希是通过哈希算法对区块中的所有数据进行计算得出的固定长度的字符串。具体来说，区块哈希是指在区块链技术中，对于每一个新生产的区块，会给这个区块计算一个固定长度的哈希值，这个哈希值包含了这个区块中所有的数据，包括交易记录、上一个区块的哈希值、时间戳等，并且只要这些数据有任何一点改变，那么这个区块的哈希值就会发生变化，所以它在保证网络安全性、防止篡改和验证数据完整性方面起着非常重要的作用。

（三）区块哈希的特点

区块哈希的存在保证了区块链的数据安全性，任何篡改数据的行为都会被立即发现，同时它也具备以下特点：

唯一性：每个区块哈希值都是唯一的，即使是区块链上有极其微小的一点数据改变，也会导致哈希值的变化。这保证了数据的不可变性和唯一标识性。

不可逆性：区块哈希函数是一个单向函数，可以将任意长度的数据转换为固定长度的哈希值。对于哈希值无法进行反向计算推导恢复原始数据，这保证了数据的安全性。

不可篡改性：如果输入数据发生了任何改变，计算得到的哈希值都会发生变化。

02

环境依赖

• eosio_2.1.0-1

• eosio.cdt v1.8.x

03

区块哈希接口

与区块哈希相关的交易接口分别有tapos_block_num()和tapos_block_prefix()，它们用于生成区块哈希及验证交易执行的前提条件，这有助于确保交易的有效性和安全性，并提供区块链的相关信息以支持智能合约的开发。

（一）tapos_block_num()

它是一个用于获取当前交易所引用的区块号的函数，它返回一个无符号整数值，代表当前执行交易的区块高度。块高度表示当前执行的块在整个区块链上的位置，可以用于构建块摘要和验证交易。在交易处理过程中，每个块都有一个唯一的块高度。

• 源码描述

   /**
    *  Gets the block number used for TAPOS on the currently executing transaction.
    *
    *  @ingroup transaction
    *  @return block number used for TAPOS on the currently executing transaction
    *  Example:
    *  @code
    *  int tbn = tapos_block_num();
    *  @endcode
    */
   inline int tapos_block_num() {
      return internal_use_do_not_use::tapos_block_num();
   }
  

• 调用方式

  #include <eosio/transaction.hpp>
  #include <eosio/eosio.hpp>
  uint16_t current_block_num = tapos_block_num(); // 获取用于当前执行交易所在的区块号

（二）tapos_block_prefix()

它是一个用于获取当前交易所在区块哈希前缀的函数，它返回一个无符号整数值，代表当前执行交易的区块哈希前缀。区块哈希前缀是区块哈希的一部分，用于构建block summary。它通常作为一个随机数，用于增加区块哈希的难度，以保持加密的安全性。

• 源码描述

  /**
  * Gets the block prefix used for TAPOS on the currently executing transaction.
  *
  * @ingroup transaction
  * @return block prefix used for TAPOS on the currently executing transaction
  * Example:
  * @code
  * int tbp = tapos_block_prefix();
  * @endcode
  */
  inline int tapos_block_prefix() {
  return internal_use_do_not_use::tapos_block_prefix();
  }

• 调用方式

  #include <eosio/transaction.hpp>
  #include <eosio/eosio.hpp>
  uint32_t current_block_prefix = tapos_block_prefix(); // 获取用于当前执行交易所在的区块哈希前缀

（三）什么是TaPos机制？

TaPos是"交易作为权益证明"（Transaction-as-Proof-of-Stake）的缩写。TaPos是在EOS的交易处理过程中引入的一个概念，它是一种用于实现去中心化共识的机制，目的是确保交易执行的前提条件和验证交易的有效性。在去中心化的区块链网络中，由于网络可能存在延迟和分叉，交易的确认和执行顺序可能会有所不同，所以引入TaPos机制来防止在不包含引用区块的分叉上重放交易，从而增加了安全性和可靠性。下面我们来看一下EOS白皮书是如何对TaPos进行描述的。

Transaction as Proof of Stake (TaPoS)
The EOS.IO software requires every transaction to include part of the hash of a recent block header. This hash serves two purposes:
1. prevents a replay of a transaction on forks that do not include the referenced block.
//防止在不包含引用区块的分叉上重放交易。
2. signals the network that a particular user and their stake are on a specific fork.
//向网络发出信号，表明特定用户及其权益位于哪条特定分叉上。
Over time all users end up directly confirming the blockchain which makes it difficult to forge counterfeit chains as the counterfeit would not be able to migrate transactions from the legitimate chain.

（四）如何通过TaPos验证交易

通过TaPoS机制，EOS网络可以确保交易的顺序性并防止在不同块之间重放交易，所以每个交易都必须包含正确的TaPoS字段，即交易作为股权证明的一部分，在交易签名过程中，这些字段会与其他的交易信息一起打包进入交易，以便验证它们的有效性。为了让链更稳固，也让用户交易更安全，当链中每发生一笔交易时，都会验证两个字段，分别是ref_block_num和ref_block_prefix，以下是eosio.cdt中对它们的声明。

// eosio.cdt/1.8.1/include/eosiolib/contracts/eosio/transaction.hpp
class transaction_header {
   public:
      /**
       * Construct a new transaction_header with an expiration of now + 60 seconds.
       *
       * @brief Construct a new transaction_header object initialising the transaction header expiration to now + 60 seconds
       */
      transaction_header( time_point_sec exp = time_point_sec(current_time_point()) + 60)
         :expiration(exp)
      {}

      time_point_sec  expiration;
      /// the time at which a transaction expires
      uint16_t        ref_block_num; 
      /// specifies a block num in the last 2^16 blocks
      uint32_t        ref_block_prefix; 
      /// specifies the lower 32 bits of the block id at get_ref_blocknum
      unsigned_int    max_net_usage_words = 0UL; /// number of 8 byte words this transaction can serialize into after compressions
      uint8_t         max_cpu_usage_ms = 0UL; /// number of CPU usage units to bill transaction for
      unsigned_int    delay_sec = 0UL; /// number of seconds to delay transaction, default: 0

      EOSLIB_SERIALIZE( transaction_header, (expiration)(ref_block_num)(ref_block_prefix)(max_net_usage_words)(max_cpu_usage_ms)(delay_sec) )
   };

以下代码是在交易初始化时候验证ref_block_num和ref_block_prefix两个字段。

// eos/libraries/chain/transaction.cpp
void transaction_header::set_reference_block( const block_id_type& reference_block ) {
   ref_block_num    = fc::endian_reverse_u32(reference_block._hash[0]);
   ref_block_prefix = reference_block._hash[1];
}

bool transaction_header::verify_reference_block( const block_id_type& reference_block )const {
   return ref_block_num    == (decltype(ref_block_num))fc::endian_reverse_u32(reference_block._hash[0]) &&
          ref_block_prefix == (decltype(ref_block_prefix))reference_block._hash[1];
}
// eos/libraries/chain/transaction_context.cpp
void transaction_context::init_for_input_trx_common( uint64_t initial_net_usage, bool skip_recording )
   {
      published = control.pending_block_time();
      is_input = true;
      const transaction& trx = packed_trx.get_transaction();
      if (!control.skip_trx_checks()) {
         control.validate_expiration(trx);
         control.validate_tapos(trx);
         validate_referenced_accounts( trx, enforce_whiteblacklist && control.is_producing_block() );
      }
      init( initial_net_usage );
      
      if (!skip_recording)
         record_transaction( packed_trx.id(), trx.expiration ); /// checks for dupes
   }
// eos/libraries/chain/controller.cpp
void controller::validate_tapos( const transaction& trx )const { try {
   const auto& tapos_block_summary = db().get<block_summary_object>((uint16_t)trx.ref_block_num);

   //Verify TaPoS block summary has correct ID prefix, and that this block's time is not past the expiration
   EOS_ASSERT(trx.verify_reference_block(tapos_block_summary.block_id), invalid_ref_block_exception,
              "Transaction's reference block did not match. Is this transaction from a different fork?",
              ("tapos_summary", tapos_block_summary));
} FC_CAPTURE_AND_RETHROW() }

（五）测试用例

编写智能合约测试用例，通过调用上文中介绍的tapos_block_num()和tapos_block_prefix()两个函数来获取验证交易有效性的两个字段ref_block_num和ref_block_prefix。

#include <eosio/transaction.hpp>
#include <eosio/eosio.hpp>

using namespace eosio;

class [[eosio::contract("test")]] test: public contract {
public:
  using contract::contract;

  [[eosio::action]]
  void checktapos() {
    uint32_t current_block_num = tapos_block_num(); // 获取当前交易执行所在的区块号
    uint32_t current_block_prefix = tapos_block_prefix(); // 获取当前交易执行所在的区块哈希前缀
    print("ref_block_num: ", current_block_num,"\t\t\t");
    print("ref_block_prefix: ", current_block_prefix);
  }
};

返回结果如下：

executed transaction: b35a59a178af7dedbbad641952146470adbe5e4d48316382afec5941fcdf2372  96 bytes  146 us
#          test <= test::checktapos             ""
>> ref_block_num: 43983             ref_block_prefix: 448306994

以下是对应区块结构transaction中的ref_block_num和ref_block_prefix。

root@VM-24-16-ubuntu:/home/ubuntu/biosboot/genesis# cleos get transaction b35a59a178af7dedbbad641952146470adbe5e4d48316382afec5941fcdf2372
{
  "id": "b35a59a178af7dedbbad641952146470adbe5e4d48316382afec5941fcdf2372",
  "trx": {
    "receipt": {
      "status": "executed",
      "cpu_usage_us": 146,
      "net_usage_words": 12,
      "trx": [
        1,{
          "compression": "none",
          "prunable_data": {
            "prunable_data": [
              0,{
                "signatures": [
                  "SIG_K1_Jzmoz3cfi8H7tA3V8zidyihS7XYv29h1bnxdoFSM7ddvRXRo7q4GTJrgPKDsvbbXMFsaFxzCZeAqwwhG2GNVdjHXiL41y1"
                ],
                "packed_context_free_data": ""
              }
            ]
          },
          "packed_trx": "6b6eae64cfab329fb81a0000000001000000000090b1ca0000a6d56488544301000000000090b1ca00000000a8ed32320000"
        }
      ]
    },
    "trx": {
      "expiration": "2023-07-12T09:12:11",
      "ref_block_num": 43983,
      "ref_block_prefix": 448306994,
      "max_net_usage_words": 0,
      "max_cpu_usage_ms": 0,
      "delay_sec": 0,
      "context_free_actions": [],
      "actions": [{
          "account": "test",
          "name": "checktapos",
          "authorization": [{
              "actor": "test",
              "permission": "active"
            }
          ],
          "data": ""
        }
      ],
      "signatures": [
        "SIG_K1_Jzmoz3cfi8H7tA3V8zidyihS7XYv29h1bnxdoFSM7ddvRXRo7q4GTJrgPKDsvbbXMFsaFxzCZeAqwwhG2GNVdjHXiL41y1"
      ],
      "context_free_data": []
    }
  },
  "block_time": "2023-07-12T09:11:41.500",
  "block_num": 43985,
  "last_irreversible_block": 44144,
  "traces": [{
      "action_ordinal": 1,
      "creator_action_ordinal": 0,
      "closest_unnotified_ancestor_action_ordinal": 0,
      "receipt": {
        "receiver": "test",
        "act_digest": "f0d16f853ef72e7be5d8c84219cdcaa75d9b13d89b59c9385aebaecc20bc34f7",
        "global_sequence": 43996,
        "recv_sequence": 8,
        "auth_sequence": [[
            "test",
            11
          ]
        ],
        "code_sequence": 2,
        "abi_sequence": 1
      },
      "receiver": "test",
      "act": {
        "account": "test",
        "name": "checktapos",
        "authorization": [{
            "actor": "test",
            "permission": "active"
          }
        ],
        "data": ""
      },
      "context_free": false,
      "elapsed": 39,
      "console": "ref_block_num: 43983             ref_block_prefix: 448306994",
      "trx_id": "b35a59a178af7dedbbad641952146470adbe5e4d48316382afec5941fcdf2372",
      "block_num": 43985,
      "block_time": "2023-07-12T09:11:41.500",
      "producer_block_id": null,
      "account_ram_deltas": [],
      "account_disk_deltas": [],
      "except": null,
      "error_code": null,
      "return_value_hex_data": ""
    }
  ]
}

需要注意，ref_block_num表示的是交易所引用的区块的区块号码，而ref_block_prefix是这个区块的哈希前缀。在交易签名过程中，这些字段会与其他的交易信息一起打包进入交易中，以便验证这个交易是否合法。而在cleos get transaction命令所显示的交易信息中，另一个名为block_num的字段则表示最终执行该交易的区块的区块号码，此字段与交易提交时所引用的区块号码ref_block_num是不同的。因为在提交交易时，可能会发生交易被延迟，所以最终执行该交易的区块可能与该交易所引用的区块不同。

END