打造公链-造轮子（7）
网络
之前版本的链具有的特性：匿名，安全，随机生成的地址；区块链数据存储；工作量证明机制；可靠地存储交易。
然后区块链的核心就是去中心化，没有网络进行节点通信，谈不上去中心化。
区块链网络
区块链网络是去中心化的，没有中心服务器，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，有的只是节点，
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。
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。它的拓扑结构是扁平的，节点的世界中没有层级之分。
要实现这样一个网络节点更加困难，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，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。
节点角色
尽管节点具备完备成熟的属性，但它们可以在网络中扮演不同角色。比如：
- 1.矿工 这样的节点运行在强大或专用的硬件（ASIC芯片）上，目标是尽可能快的挖出新块。
- 2.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，需要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。全节点要足够多，这些节点执行决策功能，决定了一个块或一笔交易的有效性。 - 3.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，但是仍能够对交易进行验证。
一个SPV节点依赖一个全节点来获取数据，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。
网络简化
目前这个版本的轮子，我们将重点放在区块链实现上，所以我们在一台机器上模拟出众多区块链节点。我们使用端口号作为节点标识符，而不是IP地址。
使用环境变量NODE_ID对这些端口节点ID进行设置。从而，可以打开多个终端端口，设置不同的NODE_ID运行不同的节点。
这个版本中所用的方法，也需要不同的区块链和钱包文件，当然可以简单依赖于节点ID进行命名，比如blockchain_3000.db,blockchain_3001.db,
wallet_3000.db,wallet_3001.db等。
实现
从比特币Bitcoin Core分析，首次下载时，必须连接到某个节点下载最新状态的区块链。但是实际上主机并没有意识到所有或者部分的比特币节点，
那么连接到的“某个节点”到底是什么？
如果直接硬编码一个节点地址，新加入的节点都从这个节点下载最新的区块链，这是有可能被DDOS等攻击的，导致新的节点根本无法加入进来。
在Bitcoin Core中，硬编码一个DNS seeds，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。
在这个版本的轮子中，无法做到完全的去中心化，我们会有三个节点：
- 1.一个中心节点。所有其他节点都会连接到这个节点，这个节点会和其他节点之间发送数据。
- 2.一个矿工节点。这个节点会在内存中存储新的交易，当有足够的交易时，就会打包挖出一个新块。
- 3.一个钱包节点。这个节点会被用作在钱包之间发送币。但是和SPV节点不同，它存储了区块链的一个完整副本。
场景
本版本的轮子能实现的场景：
- 1.中心节点创建一个区块链
- 2.一个其他（钱包）节点连接到中心节点并下载区块链
- 3.另一个（矿工）节点连接到中心节点并下载区块链
- 4.钱包节点创建一笔交易
- 5.矿工节点接收交易，将交易保存到内存池中
- 6.当内存池中有足够的交易时，矿工开始打包挖矿
- 7.当挖出一个新块后，将其发送到中心节点
- 8.钱包节点与中心节点进行同步
- 9.钱包节点的用户检查他们的支付是否成功
版本
节点通过消息（message）进行交流。当一个新的节点开始运行时，就会从一个DNS种子获取几个节点，
给它们发送version信息，实现起来如下：
type version struct{
Version int
BestHeight int
AddrFrom string
}
Version存储区块链版本，BestHeight存储区块链中节点的高度。AddFrom存储发送者的地址。
节点在接收到version消息后，会响应自己的version消息。这是一种握手：如果没有事先问候，就不可能有其他交流。
version用于找到一个更长的区块链，当一个节点接收到的version消息，会检查本节点的区块链是否比BestHeight的值要大，
如果不是，节点就会请求并下载缺失的块。
为了接收消息，需要构建一个服务器：
var nodeAddress string
var knownNodes = []string{"localhost:3000"}
func StartServer(nodeID,minerAddress string){
nodeAddress = fmt.Sprintf("localhost:%s",nodeID)
miningAddress = minerAddress
ln,err := net.Listen(protocol,nodeAddress)
defer ln.Close()
blockchain := NewBlockchain(nodeID)
// 对中心节点硬编码，当前节点不是中心节点，必须向中心节点发送version消息来查询是否自己的区块链已经过时
if nodeAddress != knownNodes[0]{
sendVersion(knownNodes[0],blockchain)
}
for {
conn,err := ln.Accept() // 一个节点不断接收命令，然后给下面的处理器选择函数来处理命令主体
go handleConnection(conn,blockchain) // 选择正确的处理器处理命令主体
}
}
请求都是要进行解码，提取有效信息。所有的处理器在这部分都类似。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，就会恢复version消息，否则，会发送getblocks消息
getblocks
type getblocks struct{
AddrFrom string
}
getblocks并不是说把所有区块都给我，而是请求一个块哈希的列表。也就是说，给我一个消息：你有哪些区块。我知道了有那些区块，我再
从其他节点分布式下载过来。
在简化的版本中，可以直接返回所有的哈希块。
inv
type inv struct{
AddrFrom string
Type string
Items [][]byte
}
比特币使用inv来向其他节点展示当前节点有什么块和交易。并没有包含完整的区块链和交易，仅仅是哈希而已。
Type表明这是块还是交易。
func handleInv(request []byte, bc *Blockchain) {
...
fmt.Printf("Recevied inventory with %d %s\n", len(payload.Items), payload.Type)
if payload.Type == "block" {
blocksInTransit = payload.Items
blockHash := payload.Items[0]
sendGetData(payload.AddrFrom, "block", blockHash)
newInTransit := [][]byte{}
for _, b := range blocksInTransit {
if bytes.Compare(b, blockHash) != 0 {
newInTransit = append(newInTransit, b)
}
}
blocksInTransit = newInTransit
}
if payload.Type == "tx" {
txID := payload.Items[0]
if mempool[hex.EncodeToString(txID)].ID == nil {
sendGetData(payload.AddrFrom, "tx", txID)
}
}
}
在收到哈希块，需要保存在blocksInTransit变量来跟踪已下载的块。能够让我们从不同的节点下载块。在将块置于传送状态时，
我们给inv消息的发送者发送getdata命令并更新blocksInTransit。在一个真实的P2P网络中，我们会想要从不同节点来传送块。
getdata
type getdata struct{
AddrFrom string
Type string
ID []byte
}
getdata用于某个块或交易的请求获取，可以仅包含一个块或交易ID。
func handleGetData(request []byte, bc *Blockchain) {
...
if payload.Type == "block" {
block, err := bc.GetBlock([]byte(payload.ID))
sendBlock(payload.AddrFrom, &block)
}
if payload.Type == "tx" {
txID := hex.EncodeToString(payload.ID)
tx := mempool[txID]
sendTx(payload.AddrFrom, &tx)
}
}
上面的处理器比较直观：如果请求一个块，就返回块，如果请求一笔交易，则返回交易。实际上，还是需要检查是否已经有合格块和交易。
block和tx
type block struct{
AddrFrom string
Block []byte
}
type tx struct{
AddrFrom string
Transaction []byte
}
实际完成数据转移的正是上面的这些消息。
func handleBlock(request []byte, bc *Blockchain) {
...
blockData := payload.Block
block := DeserializeBlock(blockData)
fmt.Println("Recevied a new block!")
bc.AddBlock(block)
fmt.Printf("Added block %x\n", block.Hash)
if len(blocksInTransit) > 0 {
blockHash := blocksInTransit[0]
sendGetData(payload.AddrFrom, "block", blockHash)
blocksInTransit = blocksInTransit[1:]
} else {
UTXOSet := UTXOSet{bc}
UTXOSet.Reindex()
}
}
处理块的命令函数，当接收到一个新块时，放到区块链里面。
如果还有块要继续下载，就还是从那个节点继续请求。当下载好，就对UTXO集进行重新索引。
todo:并非无条件信任，应该在将每个块加入到区块链之前进行验证
todo:并非与西宁UTXOSet.Reindex()，而是应该使用UTXOSet.Update(block)，因为如果区块链很大，需要很多时间来对整个UTXO集重新索引。
处理tx消息是最困难的部分：
func handleTx(request []byte, bc *Blockchain) {
...
txData := payload.Transaction
tx := DeserializeTransaction(txData)
mempool[hex.EncodeToString(tx.ID)] = tx
if nodeAddress == knownNodes[0] {
for _, node := range knownNodes {
if node != nodeAddress && node != payload.AddFrom {
sendInv(node, "tx", [][]byte{tx.ID})
}
}
} else {
if len(mempool) >= 2 && len(miningAddress) > 0 {
MineTransactions:
var txs []*Transaction
for id := range mempool {
tx := mempool[id]
if bc.VerifyTransaction(&tx) {
txs = append(txs, &tx)
}
}
if len(txs) == 0 {
fmt.Println("All transactions are invalid! Waiting for new ones...")
return
}
cbTx := NewCoinbaseTX(miningAddress, "")
txs = append(txs, cbTx)
newBlock := bc.MineBlock(txs)
UTXOSet := UTXOSet{bc}
UTXOSet.Reindex()
fmt.Println("New block is mined!")
for _, tx := range txs {
txID := hex.EncodeToString(tx.ID)
delete(mempool, txID)
}
for _, node := range knownNodes {
if node != nodeAddress {
sendInv(node, "block", [][]byte{newBlock.Hash})
}
}
if len(mempool) > 0 {
goto MineTransactions
}
}
}
}
首先要将交易放到内存池中，当然将交易放到内存池之前，必须要对其进行验证。
当一笔交易被挖出以后，就会从内存池中移除。当前节点连接到的所有其他节点，接收带有新块哈希的inv消息。在处理完消息后，可以对块进行请求。
代码测试命令
// 在第一个终端(NODE_ID=3000)操作
go build -o blockchain_go
export NODE_ID=3000
./blockchain_go createwallet //1767XRHPFFEgscVrEVN2z4tLCPmkCeXwSZ
./blockchain_go createblockchain -address 1767XRHPFFEgscVrEVN2z4tLCPmkCeXwSZ
./blockchain_go getbalance -address 1767XRHPFFEgscVrEVN2z4tLCPmkCeXwSZ
./blockchain_go printchain
cp blockchain_3000.db blockchain_genesis.db
// 打开另外一个终端(NODE_ID=3001)操作
./blockchain_go createwallet //15iGjMkA5d7XR8yFU2zxUiE2vcLuHdGMmn
./blockchain_go createwallet //1AUCd7jxWeH4R8TnZoGx25pziLGLWm8oJm
// 在终端(NODE_ID=3000)操作
./blockchain_go send -from 1767XRHPFFEgscVrEVN2z4tLCPmkCeXwSZ -to 15iGjMkA5d7XR8yFU2zxUiE2vcLuHdGMmn -amount 10 -mine
./blockchain_go send -from 1767XRHPFFEgscVrEVN2z4tLCPmkCeXwSZ -to 1AUCd7jxWeH4R8TnZoGx25pziLGLWm8oJm -amount 10 -mine
./blockchain_go startnode // 启动节点
// 在终端(NODE_ID=3001)操作
./blockchain_go startnode // 启动节点通信，把区块进行同步
// 终止节点运行
./blockchain_go getbalance -address 1767XRHPFFEgscVrEVN2z4tLCPmkCeXwSZ
./blockchain_go getbalance -address 15iGjMkA5d7XR8yFU2zxUiE2vcLuHdGMmn
./blockchain_go getbalance -address 1AUCd7jxWeH4R8TnZoGx25pziLGLWm8oJm
项目代码
https://github.com/jianhuaixie/blockchain-buildwheels/tree/master/content/wheels-7/src
