用 Go 构建一个区块链 -- Part 7: 网络

翻译的系列文章我已经放到了 GitHub 上：blockchain-tutorial，后续如有更新都会在 GitHub 上，可能就不在这里同步了。如果想直接运行代码，也可以 clone GitHub 上的教程仓库，进入 src 目录执行 make 即可。

引言

到目前为止，我们所构建的原型已经具备了区块链所有的关键特性：匿名，安全，随机生成的地址；区块链数据存储；工作量证明系统；可靠地存储交易。尽管这些特性都不可或缺，但是仍有不足。能够使得这些特性真正发光发热，使得加密货币成为可能的，是网络（network）。如果实现的这样一个区块链仅仅运行在单一节点上，有什么用呢？如果只有一个用户，那么这些基于密码学的特性，又有什么用呢？正是由于网络，才使得整个机制能够运转和发光发热。

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（州，公社，等等）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。

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：不幸的是，我并没有足够的时间来实现一个真实的 P2P 网络原型。本文我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，我也无法保证在其他场景将会正常工作。抱歉！

本文的代码实现变化很大，请点击 这里 查看所有的代码更改。

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。

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：

Business vector created by Dooder - Freepik.com

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。

节点角色

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：

1. 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。

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，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。

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。

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。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。所以，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。

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。

实现

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：

1. 一个中心节点。所有其他节点都会连接到这个节点，这个节点会在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。

3. 一个钱包节点。这个节点会被用作在钱包之间发送币。但是与 SPV 节点不同，它存储了区块链的一个完整副本。

场景

本文的目标是实现如下场景：

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，并将交易保存到内存池中。
6. 当内存池中有足够的交易时，矿工开始挖一个新块。
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。

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是，也是比特币最常见最重要的用户场景。

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，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 {
    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。

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，这并不是处于礼貌：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 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()

    bc := NewBlockchain(nodeID)

    if nodeAddress != knownNodes[0] {
        sendVersion(knownNodes[0], bc)
    }

    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：

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。

func sendVersion(addr string, bc *Blockchain) {
    bestHeight := bc.GetBestHeight()
    payload := gobEncode(version{nodeVersion, bestHeight, nodeAddress})

    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 {
    var bytes [commandLength]byte

    for i, c := range command {
        bytes[i] = 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：

func bytesToCommand(bytes []byte) string {
    var command []byte

    for _, b := range bytes {
        if b != 0x0 {
            command = append(command, b)
        }
    }

    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：

func handleConnection(conn net.Conn, bc *Blockchain) {
    request, err := ioutil.ReadAll(conn)
    command := bytesToCommand(request[:commandLength])
    fmt.Printf("Received %s command\n", command)

    switch command {
    ...
    case "version":
        handleVersion(request, bc)
    default:
        fmt.Println("Unknown command!")
    }

    conn.Close()
}

下面是 version 命令处理器：

func handleVersion(request []byte, bc *Blockchain) {
    var buff bytes.Buffer
    var payload verzion

    buff.Write(request[commandLength:])
    dec := gob.NewDecoder(&buff)
    err := dec.Decode(&payload)

    myBestHeight := bc.GetBestHeight()
    foreignerBestHeight := payload.BestHeight

    if myBestHeight < foreignerBestHeight {
        sendGetBlocks(payload.AddrFrom)
    } else if myBestHeight > foreignerBestHeight {
        sendVersion(payload.AddrFrom, bc)
    }

    if !nodeIsKnown(payload.AddrFrom) {
        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。

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。

getblocks

type getblocks struct {
    AddrFrom string
}

getblocks 意为 “给我看一下你有什么区块”（在比特币中，这会更加复杂）。注意，它并没有说“把你全部的区块给我”，而是请求了一个块哈希的列表。这是为了减轻网络负载，因为区块可以从不同的节点下载，并且我们不想从一个单一节点下载数十 GB 的数据。

处理命令十分简单：

func handleGetBlocks(request []byte, bc *Blockchain) {
    ...
    blocks := bc.GetBlockHashes()
    sendInv(payload.AddrFrom, "block", blocks)
}

在我们简化版的实现中，它会返回 所有块哈希。

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。再次提醒，它没有包含完整的区块链和交易，仅仅是哈希而已。Type 字段表明了这是块还是交易。

处理 inv 稍显复杂：

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)
        }
    }
}

如果收到块哈希，我们想要将它们保存在 blocksInTransit 变量来跟踪已下载的块。这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。

在我们的实现中，我们永远也不会发送有多重哈希的 inv。这就是为什么当 payload.Type == "tx" 时，只会拿到第一个哈希。然后我们检查是否在内存池中已经有了这个哈希，如果没有，发送 getdata 消息。

getdata

type getdata struct {
    AddrFrom string
    Type     string
    ID       []byte
}

getdata 用于某个块或交易的请求，它可以仅包含一个块或交易的 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)
    }
}

这个处理器比较地直观：如果它们请求一个块，则返回块；如果它们请求一笔交易，则返回交易。注意，我们并不检查实际上是否已经有了这个块或交易。这是一个缺陷 :)

block 和 tx

type block struct {
    AddrFrom string
    Block    []byte
}

type tx struct {
    AddFrom     string
    Transaction []byte
}

实际完成数据转移的正是这些消息。

处理 block 消息十分简单：

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()
    }
}

当接收到一个新块时，我们把它放到区块链里面。如果还有更多的区块需要下载，我们继续从上一个下载的块的那个节点继续请求。当最后把所有块都下载完后，对 UTXO 集进行重新索引。

TODO：并非无条件信任，我们应该在将每个块加入到区块链之前对它们进行验证。

TODO: 并非运行 UTXOSet.Reindex()， 而是应该使用 UTXOSet.Update(block)，因为如果区块链很大，它将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
            }
        }
    }
}

首先要做的事情是将新交易放到内存池中（再次提醒，在将交易放到内存池之前，必要对其进行验证）。下个片段：

if nodeAddress == knownNodes[0] {
    for _, node := range knownNodes {
        if node != nodeAddress && node != payload.AddFrom {
            sendInv(node, "tx", [][]byte{tx.ID})
        }
    }
}

检查当前节点是否是中心节点。在我们的实现中，中心节点并不会挖矿。它只会将新的交易推送给网络中的其他节点。

下一个很大的代码片段是矿工节点“专属”。让我们对它进行一下分解:

if len(mempool) >= 2 && len(miningAddress) > 0 {

miningAddress 只会在矿工节点上设置。如果当前节点（矿工）的内存池中有两笔或更多的交易，开始挖矿：

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
}

首先，内存池中所有交易都是通过验证的。无效的交易会被忽略，如果没有有效交易，则挖矿中断。

cbTx := NewCoinbaseTX(miningAddress, "")
txs = append(txs, cbTx)

newBlock := bc.MineBlock(txs)
UTXOSet := UTXOSet{bc}
UTXOSet.Reindex()

fmt.Println("New block is mined!")

验证后的交易被放到一个块里，同时还有附带奖励的 coinbase 交易。当块被挖出来以后，UTXO 集会被重新索引。

TODO: 提醒，应该使用 UTXOSet.Update 而不是 UTXOSet.Reindex.

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
}

当一笔交易被挖出来以后，就会被从内存池中移除。当前节点所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，它们可以对块进行请求。

结果

让我们来回顾一下上面定义的场景。

首先，在第一个终端窗口中将 NODE_ID 设置为 3000（export NODE_ID=3000）。为了让你知道什么节点执行什么操作，我会使用像 NODE 3000 或 NODE 3001 进行标识。

NODE 3000

创建一个钱包和一个新的区块链：

$ blockchain_go createblockchain -address CENTREAL_NODE

（为了简洁起见，我会使用假地址。）

然后，会生成一个仅包含创世块的区块链。我们需要保存块，并在其他节点使用。创世块承担了一条链标识符的角色（在 Bitcoin Core 中，创世块是硬编码的）

$ cp blockchain_3000.db blockchain_genesis.db 

NODE 3001

接下来，打开一个新的终端窗口，将 node ID 设置为 3001。这会作为一个钱包节点。通过 blockchain_go createwallet 生成一些地址，我们把这些地址叫做 WALLET_1, WALLET_2, WALLET_3.

NODE 3000

向钱包地址发送一些币：

$ blockchain_go send -from CENTREAL_NODE -to WALLET_1 -amount 10 -mine
$ blockchain_go send -from CENTREAL_NODE -to WALLET_2 -amount 10 -mine

-mine 标志指的是块会立刻被同一节点挖出来。我们必须要有这个标志，因为初始状态时，网络中没有矿工节点。

启动节点：

$ blockchain_go startnode

这个节点会持续运行，直到本文定义的场景结束。

NODE 3001

启动上面保存创世块节点的区块链：

$ cp blockchain_genesis.db blockchain_3001.db

运行节点：

$ blockchain_go startnode

它会从中心节点下载所有区块。为了检查一切正常，暂停节点运行并检查余额：

$ blockchain_go getbalance -address WALLET_1
Balance of 'WALLET_1': 10

$ blockchain_go getbalance -address WALLET_2
Balance of 'WALLET_2': 10

你还可以检查 CENTRAL_NODE 地址的余额，因为 node 3001 现在有它自己的区块链：

$ blockchain_go getbalance -address CENTRAL_NODE
Balance of 'CENTRAL_NODE': 10

NODE 3002

打开一个新的终端窗口，将它的 ID 设置为 3002，然后生成一个钱包。这会是一个矿工节点。初始化区块链：

$ cp blockchain_genesis.db blockchain_3002.db

启动节点：

$ blockchain_go startnode -miner MINER_WALLET

NODE 3001

发送一些币：

$ blockchain_go send -from WALLET_1 -to WALLET_3 -amount 1
$ blockchain_go send -from WALLET_2 -to WALLET_4 -amount 1

NODE 3002

迅速切换到矿工节点，你会看到挖出了一个新块！同时，检查中心节点的输出。

NODE 3001

切换到钱包节点并启动：

$ blockchain_go startnode

它会下载最近挖出来的块！

暂停节点并检查余额：

$ blockchain_go getbalance -address WALLET_1
Balance of 'WALLET_1': 9

$ blockchain_go getbalance -address WALLET_2
Balance of 'WALLET_2': 9

$ blockchain_go getbalance -address WALLET_3
Balance of 'WALLET_3': 1

$ blockchain_go getbalance -address WALLET_4
Balance of 'WALLET_4': 1

$ blockchain_go getbalance -address MINER_WALLET
Balance of 'MINER_WALLET': 10

就是这么多了！

总结

这是本系列的最后一篇文章了。我本可以就实现一个真实的 P2P 网络原型继续展开，但是我真的没有这么多时间。我希望本文已经回答了关于比特币技术的一些问题，也给读者提出了一些问题，这些问题你可以自行寻找答案。在比特币技术中还有隐藏着很多有趣的事情！好运！

后记：你可以从实现 addr 消息来开始改进网络，正如比特币网络协议中所描述的（链接可以下方找到）那样。这是一个非常重要的消息，因为它允许节点来互相发现彼此。我已经开始实现了，不过还没有完成！

链接：

1. Source codes
2. Bitcoin protocol documentation
3. Bitcoin network

原文：Building Blockchain in Go. Part 7: Network