' D! i2 ?7 D3 M
你可以将这些区块链特性认为是规则(rule),类似于人类在一起生活,繁衍生息建立的规则,一种社会安排。区块链网络就是一个程序社区,里面的每个程序都遵循同样的规则,正是由于遵循着同一个规则,才使得网络能够长存。类似的,当人们都有着同样的想法,就能够将拳头攥在一起构建一个更好的生活。如果有人遵循着不同的规则,那么他们就将生活在一个分裂的社区中。同样的,如果有区块链节点遵循不同的规则,那么也会形成一个分裂的网络。& g+ I! d- z: m5 K5 }8 U* a
* I9 ]+ f4 I* r, P8 E7 r5 q1 a
重点在于:如果没有网络,或者大部分节点都不遵守同样的规则,那么规则就会形同虚设,毫无用处!
声明:这是一个实验模式下 P2P 网络原型。本文会展示一个最常见的场景,这个场景涉及不同类型的节点。继续改进这个场景,将它实现为一个 P2P 网络,对你来说是一个很好的挑战和实践!除了本文的场景,无法保证在其他场景将会正常工作。
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区块链网络. j0 U- u( A {9 G$ x
区块链网络是去中心化的,这意味着没有服务器,客户端也不需要依赖服务器来获取或处理数据。在区块链网络中,有的是节点,每个节点是网络的一个完全(full-fledged)成员。节点就是一切:它既是一个客户端,也是一个服务器。这一点需要牢记于心,因为这与传统的网页应用非常不同。
区块链网络是一个 P2P(Peer-to-Peer,端到端)的网络,即节点直接连接到其他节点。它的拓扑是扁平的,因为在节点的世界中没有层级之分。下面是它的示意图:* l' f9 T9 C9 R: Y
要实现这样一个网络节点更加困难,因为它们必须执行很多操作。每个节点必须与很多其他节点进行交互,它必须请求其他节点的状态,与自己的状态进行比较,当状态过时时进行更新。3 t: v% I0 J" F/ w3 s; S
1 S# c, d+ ~+ K7 R g; X
节点角色6 a: f) Q3 n: @' O) W2 Y
尽管节点具有完备成熟的属性,但是它们也可以在网络中扮演不同角色。比如:
矿工 这样的节点运行于强大或专用的硬件(比如 ASIC)之上,它们唯一的目标是,尽可能快地挖出新块。矿工是区块链中唯一可能会用到工作量证明的角色,因为挖矿实际上意味着解决 PoW 难题。在权益证明 PoS 的区块链中,没有挖矿。) Y9 S) a# M! a' n W' F- G
全节点 这些节点验证矿工挖出来的块的有效性,并对交易进行确认。为此,他们必须拥有区块链的完整拷贝。同时,全节点执行路由操作,帮助其他节点发现彼此。对于网络来说,非常重要的一段就是要有足够多的全节点。因为正是这些节点执行了决策功能:他们决定了一个块或一笔交易的有效性。. ]1 q- z$ Q ]: b9 c% h! Z
SPV SPV 表示 Simplified Payment Verification,简单支付验证。这些节点并不存储整个区块链副本,但是仍然能够对交易进行验证(不过不是验证全部交易,而是一个交易子集,比如,发送到某个指定地址的交易)。一个 SPV 节点依赖一个全节点来获取数据,可能有多个 SPV 节点连接到一个全节点。SPV 使得钱包应用成为可能:一个人不需要下载整个区块链,但是仍能够验证他的交易。
8 G' o1 \: J( w$ B
0 q2 |, R% V1 q* ?* ]
网络简化
为了在目前的区块链原型中实现网络,我们不得不简化一些事情。因为我们没有那么多的计算机来模拟一个多节点的网络。1 s6 ] ? n% V0 A
当然,我们可以使用虚拟机或是 Docker 来解决这个问题,但是这会使一切都变得更复杂:你将不得不先解决可能出现的虚拟机或 Docker 问题,而我的目标是将全部精力都放在区块链实现上。* Y* g# Y8 [$ z' h( Z
我们想要在一台机器上运行多个区块链节点,同时希望它们有不同的地址。为了实现这一点,我们将使用端口号作为节点标识符,而不是使用 IP 地址,比如将会有这样地址的节点:127.0.0.1:3000,127.0.0.1:3001,127.0.0.1:3002 等等。
我们叫它端口节点(port node) ID,并使用环境变量 NODE_ID 对它们进行设置。故而,你可以打开多个终端窗口,设置不同的 NODE_ID 运行不同的节点。( U' C; c7 k" x0 ]3 t3 A& X
这个方法也需要有不同的区块链和钱包文件。它们现在必须依赖于节点 ID 进行命名,比如 blockchain_3000.db, blockchain_30001.db and wallet_3000.db, wallet_30001.db 等等。. ?1 X+ Z+ d8 _+ f6 h
6 j, F: G. W8 R# X3 G
所以,当你下载 Bitcoin Core 并首次运行时,到底发生了什么呢?它必须连接到某个节点下载最新状态的区块链。考虑到你的电脑并没有意识到所有或是部分的比特币节点,那么连接到的“某个节点”到底是什么?
在 Bitcoin Core 中硬编码一个地址,已经被证实是一个错误:因为节点可能会被攻击或关机,这会导致新的节点无法加入到网络中。在 Bitcoin Core 中,硬编码了 DNS seeds。虽然这些并不是节点,但是 DNS 服务器知道一些节点的地址。当你启动一个全新的 Bitcoin Core 时,它会连接到一个种子节点,获取全节点列表,随后从这些节点中下载区块链。
不过在我们目前的实现中,无法做到完全的去中心化,因为会出现中心化的特点。我们会有三个节点:; \- Z$ r9 ?9 l/ S7 w; Z1 K
一个中心节点。所有其他节点都会连接到这个节点,这个节点会在其他节点之间发送数据。
一个矿工节点。这个节点会在内存池中存储新的交易,当有足够的交易时,它就会打包挖出一个新块。
一个钱包节点。这个节点会被用作在钱包之间发送币。但是与 SPV 节点不同,它存储了区块链的一个完整副本。8 x& |: S5 O, H) k' o6 F
场景
本文的目标是实现如下场景:! m7 J: T: \1 F
中心节点创建一个区块链。 i9 C6 j7 p* p, ^9 N
一个其他(钱包)节点连接到中心节点并下载区块链。
另一个(矿工)节点连接到中心节点并下载区块链。
钱包节点创建一笔交易。
矿工节点接收交易,并将交易保存到内存池中。
当内存池中有足够的交易时,矿工开始挖一个新块。
当挖出一个新块后,将其发送到中心节点。
钱包节点与中心节点进行同步。( N- u, V% v& b V
钱包节点的用户检查他们的支付是否成功。; B$ i3 L3 q- t' N& a" M h
这就是比特币中的一般流程。尽管我们不会实现一个真实的 P2P 网络,但是我们会实现一个真实,也是比特币最常见最重要的用户场景。7 b: s. o$ E* |2 p
版本8 D# d) T. f* H- @
节点通过消息(message)进行交流。当一个新的节点开始运行时,它会从一个 DNS 种子获取几个节点,给它们发送 version 消息,在我们的实现看起来就像是这样:
- type version struct {/ X, K3 h# K2 L3 I& Y( S
- Version int
- BestHeight int
- AddrFrom string}
由于我们仅有一个区块链版本,所以 Version 字段实际并不会存储什么重要信息。BestHeight 存储区块链中节点的高度。AddFrom 存储发送者的地址。) _. e- ]! v4 f" |% m. o$ E
接收到 version 消息的节点应该做什么呢?它会响应自己的 version 消息。这是一种握手:如果没有事先互相问候,就不可能有其他交流。不过,这并不是出于礼貌:version 用于找到一个更长的区块链。当一个节点接收到 version 消息,它会检查本节点的区块链是否比 BestHeight 的值更大。如果不是,节点就会请求并下载缺失的块。
为了接收消息,我们需要一个服务器:
- var nodeAddress stringvar knownNodes = []string{"localhost:3000"}func StartServer(nodeID, minerAddress string) {
- nodeAddress = fmt.Sprintf("localhost:%s", nodeID)4 a' s& y7 z. G& D
- miningAddress = minerAddress
- ln, err := net.Listen(protocol, nodeAddress)
- defer ln.Close()5 |5 I2 o- q% v) M' u
- bc := NewBlockchain(nodeID)
- if nodeAddress != knownNodes[0] { c! O) H9 i( M5 h9 U
- sendVersion(knownNodes[0], bc)
- }! G: h; Y+ I5 c0 c
- for {
- conn, err := ln.Accept()
- go handleConnection(conn, bc)
- }}
首先,我们对中心节点的地址进行硬编码:因为每个节点必须知道从何处开始初始化。minerAddress 参数指定了接收挖矿奖励的地址。代码片段:; k0 L5 r0 ?* h/ b& j3 A0 \
- if nodeAddress != knownNodes[0] {
- sendVersion(knownNodes[0], bc)}
这意味着如果当前节点不是中心节点,它必须向中心节点发送 version 消息来查询是否自己的区块链已过时。1 }4 ^; a6 L) L2 z# ^: c3 j5 H9 I
- func sendVersion(addr string, bc *Blockchain) {
- bestHeight := bc.GetBestHeight()- k' j) x4 l1 ^9 j9 @4 [% a& I
- payload := gobEncode(version{nodeVersion, bestHeight, nodeAddress})! Q8 F' N$ Z4 W3 m$ T! h
- request := append(commandToBytes("version"), payload...)- l. G% u2 S/ z7 k0 R0 h1 \2 T
- sendData(addr, request)}
我们的消息,在底层就是字节序列。前 12 个字节指定了命令名(比如这里的 version),后面的字节会包含 gob 编码的消息结构,commandToBytes 看起来是这样:
- func commandToBytes(command string) []byte {
- var bytes [commandLength]byte
- for i, c := range command {
- bytes = byte(c)- ~/ ?% |9 g4 ^, O
- }
return bytes[:]}$ u2 v$ T# i# C6 U' }) q6 c) x- ?
它创建一个 12 字节的缓冲区,并用命令名进行填充,将剩下的字节置为空。下面一个相反的函数:
- func bytesToCommand(bytes []byte) string {
- var command []byte( y* b6 i$ @2 _0 [4 T
- for _, b := range bytes {5 M+ i+ p9 U, W% U5 O) \4 r
- if b != 0x0 {% M( W6 A$ L8 `
- command = append(command, b)6 V) p: o+ ~# m; P' d
- }8 g' [: F8 [2 o( m5 q. F- V1 c- ?
- }
- return fmt.Sprintf("%s", command)}
当一个节点接收到一个命令,它会运行 bytesToCommand 来提取命令名,并选择正确的处理器处理命令主体:5 @; p0 d4 Z- }; M, v5 r5 p
- func handleConnection(conn net.Conn, bc *Blockchain) {
- request, err := ioutil.ReadAll(conn)
- command := bytesToCommand(request[:commandLength])
- fmt.Printf("Received %s command\n", command)/ j* r3 [$ R$ [/ B* C% d2 K
- switch command {
- ...5 @% J7 X# x4 Z( H6 r5 Q! p
- case "version":3 a# T8 f, T/ ]* e1 x7 g* F0 m
- handleVersion(request, bc)4 W% t+ I, T8 u e
- default:% s7 {* _: A( \* i- P
- fmt.Println("Unknown command!")2 j7 Z* v: I' G* E$ i; {
- }, {1 A6 w! A9 F: m, x9 F9 ~+ R3 N: ?
- conn.Close()}
下面是 version 命令处理器:
- func handleVersion(request []byte, bc *Blockchain) {* Y) T) M1 j5 |8 y: @; l1 j' }
- var buff bytes.Buffer var payload verzion' ]' H9 p' ~6 b0 W+ X* ]
- buff.Write(request[commandLength:])6 a3 A9 N: y Z$ A+ }4 {: F
- dec := gob.NewDecoder(&buff)0 ` v+ U9 k6 @; P
- err := dec.Decode(&payload)
- myBestHeight := bc.GetBestHeight(): D6 Z" g; Y7 j$ O" l8 k3 J9 a
- foreignerBestHeight := payload.BestHeight if myBestHeight foreignerBestHeight {9 _0 N6 I6 p* W6 U
- sendVersion(payload.AddrFrom, bc): r) {0 ?+ n" r! \6 I$ ` i# T- F2 b
- }
- if !nodeIsKnown(payload.AddrFrom) {9 Y- y1 u3 E: D4 E) {1 w
- knownNodes = append(knownNodes, payload.AddrFrom)
- }}
首先,我们需要对请求进行解码,提取有效信息。所有的处理器在这部分都类似,所以我们会下面的代码片段中略去这部分。) d$ |# v3 m" N; W# A$ m- o& d
) y1 g! [1 D7 q8 G( w" X/ L- F
然后节点将从消息中提取的 BestHeight 与自身进行比较。如果自身节点的区块链更长,它会回复 version 消息;否则,它会发送 getblocks 消息。
6 s: v# ?! i6 }5 P
$ ~6 |% T8 Y4 {' n5 ], @$ _