Ordinal NFT实现原理及Bitcoin Regtest测试网Mint教程

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  • 更新于 2023-04-30 15:50
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最近BTC社区推出了首个NFT项目Ordinals,该项目非常的火爆,也体现出BTC社区强大的开发能力。鉴于其官方文档对基本原理的描述没有那么直观,并且实际操作Mint也非常复杂,因此本文将说明其核心原理和在BTC regtest本地网络上如何操作(主网操作方法移步:全节点和借助机器人不需要全节点)

最近BTC社区推出了首个NFT项目Ordinals,该项目非常的火爆,也体现出BTC社区强大的开发能力。鉴于其官方文档对基本原理的描述没有那么直观,并且实际操作Mint也非常复杂,因此本文将说明其核心原理和在BTC regtest本地网络上如何操作(主网操作方法移步:全节点借助机器人不需要全节点)。

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基本原理

Ordinal的技术分为两层:Ordinal number和铭刻(Inscriptions),前者用于为比特币的每一聪(sat)指定一个唯一序号,后者则是借助于Taproot来进行NFT的Mint。

注:虽然项目发起人很不屑将其称为NFT,而是称为Digital Artifacts,但是这里为便于理解将其简称为NFT。

Ordinal number理论

该理论提供了一种给聪(sat)指定一个唯一编号的机制,注意是每一个sat不是UTXO! 由于UTXO是不可再分的最小交易单元,因此sat只能存在于UTXO中,且UTXO包含了一定范围的sats,且只能在花费某一UTXO后产生新的输出中对sats编号进行拆分。sat的编号--Orinal number(一个sat和一个Ordinal number一一对应,为避免歧义,下文中sat和Ordinal number等价)主要根据以下两个规则确定:

  1. 编号:每一个sat以他们被mint出来的顺序进行编号
  2. 转移:按照先进先出规则,从交易的输入转移到输出

第一条规则相对简单,它决定了Orinal number只能由挖矿奖励中的coinbase_tx生成。例如,若第一个区块的挖矿奖励(不包含交易手续费)为50个btc(1 btc = 10^8 sat),则第一个区块会mint出[0;1;2;...;4,999,999,999]范围的sats;第二个区块奖励也为50 btc时,则第二个区块会mint出,[5,000,000,000;5,000,000,001;...;9,999,999,999]范围的sats。 这里比较难理解的部分在于,由于UTXO实际上包含很多个聪,那么这个UTXO中的每一个聪看起来都一样,怎么给他们排序呢?这个实际上是第二条规则决定的,举一个简单的例子吧:

假设中本聪的地址addr_a在创世区块mint了50个btc(1 btc = 10^8 sat),因此产生了[0;1;2;...4,999,999,999]这些sats(这些sats本身的相对顺序在转账交易后才能确定):

### inputs
### outputs
addr_a:[0 -> 4,999,999,999] sats

然后中本聪发起一笔交易,需要给addr_b转20个btc,那么:

### inputs
# 50 btc
addr_a: [0 -> 4,999,999,999] sats

### outputs
# 30 btc to addr_a, index=0
addr_a: [0 -> 2,999,999,999] sats
# 20 btc to addr_b, index=1
addr_b: [3,000,000,000 -> 4,999,999,999] sats

可以看出经过转账之后不同的UTXO集中包含的sat的顺序,是通过交易输出的index顺序按照先进先出被决定。

如果中本聪想进一步给addr_c转账10个btc,同时他还想保留第2,599,999,999个sat(因为这个sat上可能绑定了一个稀有NFT),那么就需要精细地控制转账的顺序,确保这个sat还保存在自己钱包的UTXO集中:

### inputs
# 30 btc
addr_a: [0 -> 2,999,999,999] sats

### outputs
# 10 btc to addr_c, index=0
addr_c: [0 -> 999,999,999] sats
# 20 btc to addr_a, index=1
addr_a: [1,000,000,000 -> 2,999,999,999] sats

根据上述规则,每一个区块交易的UTXO中包含的sats可以通过以下python代码表示:

# subsidy of block at given height
def subsidy(height):
  return 50 * 100_000_000 >> height // 210_000

# first ordinal of subsidy of block at given height
def first_ordinal(height):
  start = 0
  for height in range(height):
    start += subsidy(height)
  return start

# assign ordinals in given block
def assign_ordinals(block):
  first = first_ordinal(block.height)
  last = first + subsidy(block.height)
  coinbase_ordinals = list(range(first, last))

  for transaction in block.transactions[1:]:
    ordinals = []
    for input in transaction.inputs:
      ordinals.extend(input.ordinals)

    for output in transaction.outputs:
      output.ordinals = ordinals[:output.value]
      del ordinals[:output.value]

    coinbase_ordinals.extend(ordinals)

  for output in block.transaction[0].outputs:
    output.ordinals = coinbase_ordinals[:output.value]
    del coinbase_ordinals[:output.value]

这就是Ordinal NFT的核心技术支撑,非常的简洁但是却能衍生出很多好玩的东西! Ordinal Number甚至可以用来表示域名等。

Ordinal Number表示方法和稀缺性

Ordinal Number有很多种表示方式,这里主要解释其度数表示法(Degree Notation),其由4个字段构成:

A°B′C″D‴
│ │ │ ╰─ Index of sat in the block(每10分钟一个块)
│ │ ╰─── Index of block in difficulty adjustment period(每2016个块调整一次,~2周)
│ ╰───── Index of block in halving epoch(每210,000个块减半,~4年一次)
╰─────── Cycle, numbered starting from 0(减半和难度调整时间重合,~24年一次,最近一次大约在2032年)

虽然相同的度数会对应很多个sats,但是这种表示法有趣的地方在于,它根据比特币自身的周期性特征,人为地为sat创造了一种稀缺性:

  • common: 所有不是区块mint出的第一个sat的sats
  • uncommon: 该sat是某区块挖出的第一个sat(D==0)
  • rare: 难度调整时挖出的第一个sat(C==0&&D==0)
  • epic: 减半时挖出的第一个sat(B==0&&D==0)
  • legendary: 发生Cycle轮换时挖出的第一个sat(B==C==D==0)
  • mythic: 创世区块挖出的第一个sat(A==B==C==D==0)

比如,可在Ordinal 浏览器查看1°0′0″0‴这个传奇(legendary)sat,有趣的是作者根据UTXO包含的sats中稀有度级别,为每个UTXO标上了颜色。

还有一个表示法是每一个sat都有一个唯一的name,这个name随着挖出的区块越靠后越短,这又创造了一种稀缺性。

注: 虽然社区中很多人都fomo去mint punk之类的,花了高昂手续费也没mint到,但是我的观点倾向于和作者一致,最稀缺的是Ordinal Number而不是mint的内容中包含什么东西。仅为一家之言。

Inscriptions

给Ordinal绑定相应的内容,如图片、文字等的过程叫做Inscriptions,我更喜欢叫mint。它主要基于2022年BTC Taproot升级之后引入的特性,可以在taproot脚本中存储任意数据(不超过4M),并且同样可以利用隔离见证的1/4手续费打折,非常便宜且NFT完全上链。

由于taproot脚本具有很好的隐蔽性,只有在花费该解锁脚本时才能揭示脚本的内容,因此mint过程分为两步:

  1. commit: 创建一个taproot输出(该输出会提交到一个包含mint内容的解锁脚本,此时script本身还未上链,只是生成了一条taproot script路径), 并提交该交易;
  2. reveal: 花费上述交易生成的UTXO,由于此时必须将包含mint内容的脚本作为输入来解锁上述UTXO,因此就在链上揭示了mint的内容。

注: 这里涉及到很多Taproot和隔离见证的基础知识,限于篇幅就不在此展开,可以参考文末的参考资料。

通过OP_FALSE OP_IF … OP_ENDIF将mint的内容序列化到tapscript中,由于OP_FALSE这个判定条件为False,因此内容部分永远不会被执行,其丝毫不影响正常脚本的执行。比如包含hello world字符串在脚本中被序列化为:

OP_FALSE
OP_IF
  OP_PUSH "ord"
  OP_1
  OP_PUSH "text/plain;charset=utf-8"
  OP_0
  OP_PUSH "Hello, world!"
OP_ENDIF

由于taproot的data push输入不能超过520字节,因此如果数据很大,需要创建多个data pushs。 Inscription的内容包含在reveal交易的第一个输入中,并且mint在此交易的第一个输出的第一个sat上。

Regtest测试网Mint Ordinal NFT

主要包括下载bitcoin core和ord。

bitcoin core下载安装

当前Ordinal NFT要求bitcoin core版本大于24,且使用的是bitcoind命令,因此mac的话注意不能下载XX.dmg文件,因为它不包含这个命令。

在[https://bitcoin.org/en/download]中找到自己适合自己操作系统的版本,然后下载。mac arm架构芯片(m1和m2)命令:

https://bitcoincore.org/bin/bitcoin-core-24.0.1/
cd bitcoin-24.0.1-osx64

bitcoin-22.0-osx64/bin目录配置到path中,便于全局执行。 修改其中bitcoin.conf配置文件:

[regtest]
dbcache=10240
txindex=1
upnp=1
rpcuser=username
rpcauth=username:hash
rpcpassword=password
daemon=1
server=1
rest=1
rpcallowip=0.0.0.0/0
#local testnet
fallbackfee=0.0001
datadir=/Users/cjf/bitcoin/data

其中rpcuser对应的username可以自己指定,rpcpasswordrpcauth则需要运行(这一步比较坑,bitcoin官方文档也没说清楚...):

python3 ./share/rpcauth/rpcauth.py username

启动本地测试版本,bitcoin共有4个网络可选(main,test,signet,regtest):

bitcoind -regtest

然后最新版bitcoind默认启动后还不会自动生成钱包,这点也是个坑,官网文档根本没说,因此还需要自己生成钱包:

bitcoin-cli -regtest createwallet walletname
bitcoin-cli -regtest loadwallet walletname

注意walletname尽量不要指定为ord,否则后面会与ord默认创建的钱包名冲突,导致需要额外配置,比较麻烦。

然后mint100个区块,给自己发50个btc:

bitcoin-cli -regtest -rpcwallet=test -generate 100
bitcoin-cli -regtest -rpcwallet=test -generate 1  #由于本地环境上述命令不会自动mint下一个区块,需要手动mint一个块以确认上述区块
bitcoin-cli -regtest -rpcwallet=test getbalance

Mint Ordinal NFT

安装并检查:

curl --proto '=https' --tlsv1.2 -fsLS https://ordinals.com/install.sh | bash -s
ord -version  #0.4.2

创建ord的bitcoin钱包;

ord --cookie-file .cookie -r wallet create

其中.cookie由自己创建,里面写入bitcoin.conf中的username:password,注意不要有换行符或空格;-r表示是regtest本地测试网。如:btc:AaAC6QHHktRkQuXBWWlkfyOGQX4SoY_M1XtkqB5uPrs=。这一步也很坑,官方也没怎么说清楚,如果不指定--cookie-file,会提示如下错误:

error: failed to connect to Bitcoin Core RPC at 127.0.0.1:18443/wallet/ord
because: I/O error: No such file or directory (os error 2)

由于mint Ordinal NFT也需要像正常的btc交易一样花费btc,因此需要先创建个地址:

ord --cookie-file .cookie -r wallet receive
# output your_addr

然后用bitcoin-cli给这个地址发送点btc:

bitcoin-cli -regtest -rpcwallet=test  sendtoaddress your_addr 10

可以看到该交易id:

ord --cookie-file .cookie -r wallet transactions
#output tx id

生成一个区块以确认该交易:

bitcoin-cli -regtest -rpcwallet=test -generate 1

然后随意指定一个图片或文字文件FILE,mint该NFT:

ord --cookie-file .cookie -r wallet inscribe FILE

前文提到会生成两笔交易,因此上述输出类似于:

{
  "commit": "7043fecea8b46d0542262d48cd166883346cd302d610ab78b74a9a749c914b63",
  "inscription": "00a47525e9378ed5f92f7e0498199e7ac183fd854dddf688ab573eb6d424b642i0",
  "reveal": "00a47525e9378ed5f92f7e0498199e7ac183fd854dddf688ab573eb6d424b642",
  "fees": 23008
}

同样,生成2个区块确认交易;

bitcoin-cli -regtest -rpcwallet=test -generate 2

然后可以查看该NFT信息:

ord --cookie-file .cookie -r wallet inscriptions

该输出类似于:

[
  {
    "inscription": "00a47525e9378ed5f92f7e0498199e7ac183fd854dddf688ab573eb6d424b642i0",
    "location": "00a47525e9378ed5f92f7e0498199e7ac183fd854dddf688ab573eb6d424b642:0:0",
    "explorer": "http://localhost/inscription/00a47525e9378ed5f92f7e0498199e7ac183fd854dddf688ab573eb6d424b642i0"
  }
]

运行ord --cookie-file .cookie -r server就可以在上述explorer链接中查看mint的NFT内容。

与以太坊NFT的对比

Ordinal Digital Artifacts Etherum-based NFT
数据完全上链 除了Uniswap等一些NFT外,大多数都存储在中心化服务器或第三方去中心化存储上
费用较低,它像普通的交易一样安全地mint,且可借助于隔离见证实现手续费缩减 每一种NFT都需要创建一个合约,gas费很高,且每一个NFT合约都需要审计等成本很高
抗审查,不可篡改 需要考虑NFT合约的admin key权限问题,存在被修改的风险
完全无许可,通过tapscript即可实现mint和sell功能,不需要向合约授权 需要向mint合约授权,sell需要向opensea等授权,风险很高

主要参考资料

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