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第36讲 | 搭建你的迷你区块链（实践篇）

第36讲 | 搭建你的迷你区块链（实践篇）-极客时间

第36讲 | 搭建你的迷你区块链（实践篇）

2018-06-15 陈浩 来自北京
《深入浅出区块链》
课程介绍

讲述：黄洲君

时长02:31大小3.47M

上一篇文章中，我们介绍了实现一个迷你区块链的大致思路。今天，我们将通过代码编写，以及简单的功能测试，来完成我们的迷你区块链 Tinychain。
除了正常的测试案例之外，我们还可以构造一些极端测试案例，来观察 Tinychain 的分叉合并，挖矿难度调整等情况。

代码编写

通过前文的分析，我们已经了解到了实践一个迷你区块链的大致思路。接下来，我将从顶层到底层来搭建区块链。

代码编写 1 Server

从链的顶层设计来看，我们需要一个入口，那么我们就从入口开始：我需要先为整个服务做一些基础设置，最后再来 Server.run()。
所以，我们的代码大概是这样子的。
// server setup
node my_node;
mgbubble::RestServ Server{"webroot", my_node};
auto& conn = Server.bind("0.0.0.0:8000");
mg_set_protocol_http_websocket(&conn);
log::info("main")<<"httpserver started";
Server.run();
我们首先生成一个 node 实例，然后被 Server装载进去，最后设置好 Server 启动。
这个 Server 主要有两个功用，第一是向本地用户服务，也就是接受命令行，接受本地 RPC 调用；第二是接受外部网络传送进来是的新交易，和新的区块。所以 Server 是整个节点的入口。

代码编写 2 node

那么这里的 node 其实就是区块链的 node，里面包含了区块链的基本设置，这些一般都是硬编码在代码中的，例如一般区块链都有个“魔法数”，实际上就是区块链 ID，这个 ID 会被放在所有消息的开头，如果区块链 ID 不匹配，则抛弃接收到的消息。
这里的区块链 ID 我们设置在这里。
blockchain(uint16_t id = 3721):id_(id) {
id_ = id;
create_genesis_block();
}
代码中所展示的 id_ 就是区块链 ID，在 Tinychain 的案例中，我也是硬编码的。
在一个 node 当中，至少要包含 network、blockchain、miner 三个模块。
public:
void miner_run(address_t address);
blockchain& chain() { return blockchain_; }
network& p2p() { return network_; }
private:
network network_;
blockchain blockchain_;
miner miner_{blockchain_};
network 也就是 P2P 网络类，blockchain 是区块链的核心类，miner 是共识模块下的核心类，三者被聚合到 node 中。
同时，node 也会提供一些 blockchain 和 miner 的接口，方便 Server 层调用。

代码编写 3 blockchain

一个 blockchain 实例，应当包含下面的内容。
uint16_t id_;
block genesis_block_;
chain_database chain_;
key_pair_database key_pair_database_;
memory_pool_t pool_;
genesisblock 就是创世区块，这个是预先生成好的。genesis_block 的信息也是被硬编码在代码中，我在 Tinychain 的例子为了方便测试，每个 genesis_block 都是可以自行生成的。
chaindatabase chain 是相对于 memorypool 而言的，chain就是已经经过确认，并且在本地持久化存储的区块数据（由于时间有限，Tinychain 的案例中还未实现持久化存储，可以后续升级替换）。
memory_pool 是指还未经过确认，暂时驻留在内存中的交易池，交易池中的交易会在挖矿时，被导入到新的区块中。
// 装载交易
new_block.setup(pool);
这里的 pool 就是交易池。
key_pair_database 是指专门存储用户的私钥的数据库，同时提供私钥管理。
同时 blockchain 也负责统一对外提供上述功能的接口。
// 获取当前节点高度
uint64_t height() { return chain_.height(); }
// 获取当前节点最新区块
block get_last_block();
// 查询指定区块
bool get_block(sha256_t block_hash, block& out);
// 查询指定交易
bool get_tx(sha256_t tx_hash, tx& out);
// 查询目标地址的余额
bool get_balance(address_t address, uint64_t balance);
// 获取当前区块链的ID
auto id() {return id_;}
// 获得交易池数据
memory_pool_t pool() { return pool_; }
// 区块打包成功以后，用于清空交易池
void pool_reset() { pool_.clear(); }
// 从网络中收集未确认的交易到交易池
void collect(tx& tx) {
pool_.push_back(tx);
}
void merge_replace(block_list_t& block_list)；
除了上述接口之外，blockchain 还负责当发现自己处于较短的分叉链上时，自动合并到最长链。

代码编写 4 network

在 network 中，可用的地址簿代表了可用的其他对等节点，至少是连接过成功一次的。
public:
void broadcast(const block& block);
void broadcast(const tx& transaction);
void process(event_t ev, func_t f);
private:
endpoint_book_t book_;
channels_t channels_;
地址簿会随着网络的变化进行更新，实时状态的地址簿是驻留在内存中的，当节点关闭是，会被刷到持久化存储中。
channels 代表了已经激活的连接，这些连接可以被 broadcast 接口使用，当本地节点产生新的区块和交易时，会调起这些 channels。
当 P2P 网络产生了新的事件时，会通过 process 接口处理新到达的交易和区块，这一事件会传导给 blockchain 模块。

代码编写 5 consensus

consensus 的含义为共识，共识会在两种情况下产生，第一是对本地生产的交易进行验证，第二是外来的区块和交易进行验证。
无论是哪种情况，他们遵循的验证规则是一样的。validate_tx 和 validate_block 分别承担了这样的功能。
bool validate_tx(const tx& new_tx) ;
bool validate_block(const tx& new_block) ;
除了验证区块之外，还涉及到提供基础挖矿设施。我们知道挖矿分为两种，一种叫做 solo 挖矿，另外一种叫做联合挖矿。其实无论哪种挖矿类型，都必须用到 miner 类。
public:
//开始挖矿
void start(address_t& addr);
inline bool pow_once(block& new_block, address_t& addr);
// 填写自己奖励——coinbase
tx create_coinbase_tx(address_t& addr);
private:
blockchain& chain_;
miner 类展示了在 solo 挖矿情况下，支持开始挖矿以及计算自己的 coinbase 的过程。
实际 pow_once 的挖矿代码如下，pow_once 被 start 调用，start 里面是一个死循环，死循环里面包了 pow_once 函数。
bool miner::pow_once(block& new_block, address_t& addr) {
auto&& pool = chain_.pool();
auto&& prev_block = chain_.get_last_block();
// 填充新块
new_block.header_.height = prev_block.header_.height + 1;
new_block.header_.prev_hash = prev_block.header_.hash;
new_block.header_.timestamp = get_now_timestamp();
new_block.header_.tx_count = pool.size();
// 难度调整:
// 控制每块速度，控制最快速度，大约10秒
uint64_t time_peroid = new_block.header_.timestamp - prev_block.header_.timestamp;
//log::info("consensus") << "target:" << ncan;
if (time_peroid <= 10u) {
new_block.header_.difficulty = prev_block.header_.difficulty + 9000;
} else {
new_block.header_.difficulty = prev_block.header_.difficulty - 3000;
}
// 计算挖矿目标值,最大值除以难度就目标值
uint64_t target = 0xffffffffffffffff / prev_block.header_.difficulty;
// 设置coinbase交易
auto&& tx = create_coinbase_tx(addr);
pool.push_back(tx);
// 装载交易
new_block.setup(pool);
// 计算目标值
for ( uint64_t n = 0; ; ++n) {
//尝试候选目标值
new_block.header_.nonce = n;
auto&& jv_block = new_block.to_json();
auto&& can = to_sha256(jv_block);
uint64_t ncan = std::stoull(can.substr(0, 16), 0, 16); //截断前16位，转换uint64 后进行比较
// 找到了
if (ncan < target) {
//log::info("consensus") << "target:" << ncan;
//log::info("consensus") << "hash :" << to_sha256(jv_block);
new_block.header_.hash = can;
log::info("consensus") << "new block :" << jv_block.toStyledString();
log::info("consensus") << "new block :" << can;
return true;
}
}
上面的代码从一开始到 for 循环之前，都可以提取出来，做成叫做 getblocktemplate 的接口，getblocktemplate 是一种 JSON-RPC 调用。
通过这个调用，就可以把挖矿的状态信息分享给其他矿机，矿机拿到 blocktemplate 以后直接进行 nonce 部分暴力搜索即可。

代码编写 6 database

database 是偏底层的接口，主要的功能有两个，第一是提供区块和私钥的持久化存储，第二是提供交易和区块的查询接口。
上文 blockchain 中的 blockchain_database 和 keypair_database 都是从 database 派生过来的。
key_pair_database
// 相当于是本地钱包的私钥管理
class key_pair_database
{
public:
key_pair get_new_key_pair()；
const key_pair_database_t& list_keys() const；
private:
key_pair_database_t key_pair_database_;
};
blockchain_database
public:
uint64_t height();
auto get_last_block();
bool get_block (const sha256_t block_hash, block& b);
bool get_tx (const sha256_t tx_hash, tx& t);
bool push_block (const block& b);
bool pop_block (cconst sha256_t block_hash);
private:
chain_database_t chain_database_;

代码编写 7 commands

commands 提供了开发者命令行交互接口。
bool exec(Json::Value& out);
static const vargv_t commands_list;
private:
vargv_t vargv_;
node& node_;
首先得有一个可识别的命令列表，接着是执行接口，例如命令行发起生成新 key_pair 的过程，执行 getnewkey 命令。
先被 command 解析，接着执行 exec，执行的时候需要用到 node 对象。
实际上 command 类比较繁琐，因为一个功能复杂的钱包，维护的命令和种类可能多达几十种。
同时命令又可以被 JSON-RPC 调用，所以一般命令行客户端本身就是一个轻量级的 http-client。
std::string url{"127.0.0.1:8000/rpc"};
// HTTP request call commands
HttpReq req(url, 3000, reply_handler(my_impl));

代码编写 8 基础类

基础类是实际生成公私钥对、构建交易 tx 的基本单元类，构建区块的基本单元类。
key_pair:
class key_pair
{
public:
key_pair() {
private_key_ = RSA::new_key();
public_key_ = private_key_.public_key();
}
address_t address()；
sha256_t public_key() const；
uint64_t private_key() const；
// ...一些序列化接口(tinychain中是Json)
private:
private_key_t private_key_;
public_key_t public_key_;
tx:
public:
input_t inputs() const { return inputs_; }
output_t outputs() const { return outputs_; }
sha256_t hash() const { return hash_; }
private:
input_t inputs_;
output_t outputs_;
sha256_t hash_;
block:
class block
{
public:
typedef std::vector<tx> tx_list_t;
struct blockheader {
uint64_t nonce{0};
uint64_t height{0};
uint64_t timestamp{0};
uint64_t tx_count{0};
uint64_t difficulty{0};
sha256_t hash;
sha256_t merkel_root_hash; //TODO
sha256_t prev_hash;
};
// ... 一些其他接口和序列化函数
std::string to_string() {
auto&& j = to_json();
return j.toStyledString();
}
sha256_t hash() const { return header_.hash; }
void setup(tx_list_t& txs) {tx_list_.swap(txs);}
private:
blockheader header_;
tx_list_t tx_list_;

首次运行

我们编写完基础类和基本结构的代码之后，就可以运行试一试。
编译成功是这样子的。
我们可以看到有 Tinychain 和 Cli-tinychain。
Tnychain 就是我们的核心程序，cli-tinychain 就是我们的命令行客户端。
实际上我在 Server 里还嵌入了一个可视化的 Websocket 界面。
只需要在 Tinychain 可执行文件同目录底下创建 webroot 文件夹，将 etc 底下的 index 放入 webroot 下，接着打开浏览器 127.0.0.1:8000 就可以看到了。
实际上这个页面我想做成区块的监视页面，只是还没改造完成，目前支持发送命令。
我们开始首次运行 Tinychain。
运行后，等 node 和 server 全部 started，就可以开始操作命令行了。
也可以通过日志进行监视，但是需要在代码处详细打桩，这次我偷懒了，没有好好打，所以不多，直接查看同目录下 debug.log 和 error.log 即可。

首次挖矿

我们通过./tinychain 启动之后，开始第一次挖矿。
✘ chenhao@chenhaodeMacBook-Pro  ~/workspace/tinychain/build/bin   master  ./tinychain
20180610T232347 INFO [main] started
20180610T232347 INFO [node] node started
20180610T232347 INFO [main] httpserver started
20180610T232356 INFO [consensus] new block :{
"header" :
{
"difficulty" : 9001,
"hash" : "",
"height" : 1,
"merkel_header_hash" : "",
"nonce" : 0,
"prev_hash" : "00b586611d6f2580e1ea0773ec8b684dc4acf231710519e6272ed7d0c61ed43e",
"timestamp" : 1528644236,
"tx_count" : 0
},
"txs" :
[
{
"hash" : "cddf6e838eff470d81155cb4c26fd3a7615b94a00e82f99b1fd9f583d7bc0659",
"inputs" :
[
{
"hash" : "00000000000000000000000000000000",
"index" : 0
}
],
"outputs" :
[
{
"address" : "122b03d11a622ac3384904948c4d808",
"value" : 1000
}
]
}
]
}
20180610T232356 INFO [consensus] new block :0de5c36420aab2f7fc9413cfbd21bece697a349106771dc58b25a6a099d6aa86
20180610T232357 INFO [consensus] new block :{
"header" :
{
"difficulty" : 18001,
"hash" : "",
"height" : 2,
"merkel_header_hash" : "",
"nonce" : 6048,
"prev_hash" : "0de5c36420aab2f7fc9413cfbd21bece697a349106771dc58b25a6a099d6aa86",
"timestamp" : 1528644236,
"tx_count" : 0
},
"txs" :
[
{
"hash" : "cddf6e838eff470d81155cb4c26fd3a7615b94a00e82f99b1fd9f583d7bc0659",
"inputs" :
[
{
"hash" : "00000000000000000000000000000000",
"index" : 0
}
],
"outputs" :
[
{
"address" : "122b03d11a622ac3384904948c4d808",
"value" : 1000
}
]
}
]
}
刚开始挖矿会比较快，随着难度提升，会趋向于稳定到 10 秒种左右一个块，如果长时间不出块，难度会自动降下来。曾经元界的代码在难度调整上有缺陷，遭受了严重的“难度坠落”攻击。
我们可以通过这个位置观察难度调整的情况。

第一笔交易

我们保持挖矿，接下来发送一笔交易。我们先通过 getnewkey 命令获得一个新公私钥对以及对应的地址。
接着发送第一笔交易。
探测到接下来被打包到区块中。

分叉与合并

区块链分叉是数据全网不一致的表现，通常是矿工节点行为不一致导致的，常见的有网络分区和协议不兼容，如果同时产生，那么必然会出现两条比较长的分叉链。
在现实情况中，分叉 1 个是最常见的，2 个已经非常罕见了，3 个以上基本是网络分区造成的。
如果我们要在 Tinychain 中实践网络分区和分叉，我们需要构建局域网多节点私链环境，可以通过 docker 来试验。
通过本文，你可以看到即使是搭建一个迷你区块链，它的工作量也是巨大的，其中不仅仅只是组合几个基础组件那么简单，还要涉及各个模块的设计和交互等详细的工作。
由于在短时间内全部搭建以及实现 Tinychain 所有功能是不可行的，在这里，我只为你提供了一些实践的思路。
目前 Tinychain 缺失了 P2P 网络实现、RSA 公私钥对集成、共识模块的交易和区块的验证等内容，我会在后续逐渐完善，你也可以跟我一起补充。

总结

好了，通过今天的代码实践，我们实现了迷你区块链 Tinychain，并且，通过运行与测试 Tinychain，我们了解到了一个最简单区块链的运行原理，希望通过今天的文章，可以帮你加深对区块链技术的理解。
区块链技术只是作为基础设施，服务于广大的开发者和业务需求。目前区块链的发展远远不止 Tinychain 中所展现的样子，我们还需要去考虑区块链 2.0 智能合约，如何设计 Token 经济等一些问题。
随着区块链的发展和应用规模，区块链安全问题也日益突出，所以今天的问题是，如果要攻击 Tinychain，可以采取什么手段呢？你可以给我留言，我们一起讨论。
感谢你的收听，我们下次再见。
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精选留言(7)

  • huangshaoyan
    2018-06-16
    老师，对应的代码可以放到您的github上吗

    作者回复: 你好，已经投放哦。github.com/betachen/tinychain

    3
  • 许成浩
    2018-06-29
    老师，可以推荐几本区块链相关的书籍好吗？
    1
  • 峪五
    2022-08-16 来自浙江
    做事要有始有终呀. 后面都没实现完呢.
  • 杨家荣
    2020-02-07
    极客时间第二期 21天打卡行动 33/21 <<深入浅出区块链35,36>>搭建你的迷你区块链 今日所学: 1,搭建包含功能: 提供 P2P 节点发现和同步区块的功能； 提供创建公私钥对的功能； 提供发送交易的功能； 提供交易查询的功能； 提供余额查询的功能； 提供挖矿的功能，在任意地址上都可以发起单机挖矿； 提供基础日志，方便跟踪监视。 2,区块头的设计, 3,地址设计, 4,内存池 5,哈希计算, 6,哈希计算, 7,开发环境搭建, 8,测试环境搭建 代码 1,代码编写 1 Server, 2,代码编写 2 node, 3,代码编写 3 blockchain, 4,代码编写 4 network, 5,代码编写 5 consensus, 6,代码编写 6 database, 7,代码编写 7 commands, 8,代码编写 8 基础类,
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  • 栐哥
    2020-01-10
    谢谢，请问区块链的APP是用什么开发语言做的呢？是用node.js吗？是用什么IDE开发的呢？我去下载安装
  • Eric
    2018-12-13
    陈老师，p2p network类，例子里是不是还没实现好？
  • 肖水平
    2018-06-20
    老师，代码在mac上编译不通过