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。. f3 B# w7 c& m& _8 B' j
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。2 { s# l& U% r3 Q+ ?
区块链网络
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。$ K' u* x8 t& Q4 x
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:" c/ O% \9 a, S2 u
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。- j% |1 r. U8 `2 M) v r1 l
节点角色3 A5 Q' H! i% i0 S& S6 a
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:4 `; `4 M/ J9 N- R
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。+ y; E- V% |1 l3 N$ G. d
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。
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 c3 w: _% z( Z8 Y5 @
% t$ H/ |& [' d( \7 T
2 N. A4 [ D8 p
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。% F! }$ S: e. T
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。
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。/ w0 T0 @9 [! \. O& l% W
, L) `/ v. c6 {7 S4 R1 I7 @
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。& s( T A* n. B6 Y$ O) i( n, ^
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?$ g8 D/ u. ^ h
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。0 g& n2 ]3 z2 [! d
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:- p$ F$ J% T# o0 Y0 l N5 [
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。
场景5 n; i6 L$ ~) q. s0 {/ L
本文的目标是实现如下场景:
中心节点创建一个区块链。
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。6 d6 a& ?- n# U4 I/ _! ~) ~/ B% A
钱包节点创建一笔交易。$ H. z4 p. n+ C7 R% k% P1 \
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。 W( A: Z: r- L! e9 r
钱包节点与中心节点进行同步。
钱包节点的用户检查他们的支付是否成功。
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。
版本, x! K- z2 K4 p6 p5 r5 {
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:% ^' f) h3 b0 l7 j: H) z! I# b
- type version struct {
- Version int' Z' W h) f& n+ Z2 g
- BestHeight int& u/ \+ W- p' `8 G+ g
- 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。
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。* q6 Z& K8 _3 L7 Q
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) {0 L: X4 v8 B0 w$ M
- nodeAddress = fmt.Sprintf("localhost:%s", nodeID)
- miningAddress = minerAddress# P+ ~' N5 ]3 _3 X6 U
- ln, err := net.Listen(protocol, nodeAddress)
- defer ln.Close()1 M \( K% o, [
- bc := NewBlockchain(nodeID)
- if nodeAddress != knownNodes[0] {* D2 H/ t# i( I4 L @
- sendVersion(knownNodes[0], bc): M. [. s: h7 C
- }
- for {# X2 N, x V& V6 r/ w
- conn, err := ln.Accept()
- go handleConnection(conn, bc)# y; j U/ Y& f- D" t/ R
- }}
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:
- if nodeAddress != knownNodes[0] {# n2 x& {$ \1 L e& z
- 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。
- func sendVersion(addr string, bc *Blockchain) {! U% p, B3 H. A' `& C+ M3 ?
- bestHeight := bc.GetBestHeight(); I, v# Q) A. O& W1 A
- payload := gobEncode(version{nodeVersion, bestHeight, nodeAddress})1 N0 H! b ?9 M# t0 C2 y, {
- request := append(commandToBytes("version"), payload...)
- 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 {; \1 B. Z4 P; d) T/ `5 q2 ~
- var bytes [commandLength]byte8 `# ^" `! T& s) w. ~* R
- for i, c := range command {
- bytes = byte(c)
- }
return bytes[:]}
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:3 v( R6 ~. [* }( L
- func bytesToCommand(bytes []byte) string {
- var command []byte
- for _, b := range bytes {2 S+ B5 }: Q6 o7 @
- if b != 0x0 {: V' W; W* u4 r3 r+ V6 i. t
- command = append(command, b)* O5 F# `! S) x q7 |: 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:, z) l- y6 D; `! ?6 ?6 d
- func handleConnection(conn net.Conn, bc *Blockchain) {$ O" t+ d, j# t$ ?: r3 p
- request, err := ioutil.ReadAll(conn)5 @$ s+ t; @" d
- command := bytesToCommand(request[:commandLength])
- fmt.Printf("Received %s command\n", command)" X) H7 n& R6 S/ H! {
- switch command {7 C6 @. n6 F/ g! N' ^" G7 N
- .... `: J; t8 U& Y) t
- case "version":
- handleVersion(request, bc), I" Q0 b$ B. _5 F
- default:+ y& x8 r" o: L7 _
- fmt.Println("Unknown command!") c* x7 i" w# U$ T+ L
- }2 [5 a1 B6 U) L2 t/ E& ?+ ]' {
- conn.Close()}
下面是 version 命令处理器:
- func handleVersion(request []byte, bc *Blockchain) {
- var buff bytes.Buffer var payload verzion5 b+ i+ [% q# p% l& c9 t
- buff.Write(request[commandLength:])
- dec := gob.NewDecoder(&buff)5 S. e4 k( r8 n
- err := dec.Decode(&payload)% ?7 [: }+ m( g! ?( X
- myBestHeight := bc.GetBestHeight(), M* T& d; z% E
- foreignerBestHeight := payload.BestHeight if myBestHeight foreignerBestHeight {* j6 P- |' V; t& t* Q
- sendVersion(payload.AddrFrom, bc)
- }
- if !nodeIsKnown(payload.AddrFrom) {1 H- [1 h/ }9 d% _* x
- 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。
# h, f' v& F8 k2 Y' f! S2 s
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。
0 O! C4 m$ I" r( Y