比特币原理第七讲-节点通讯

• 引言

• 区块链网络

• 节点角色

• 网络简化

• 实现

• 场景

• 版本

• getblocks

• inv

• getdata

• block 和 tx

• 结果

  • NODE 3000

  • NODE 3001

  • NODE 3000

  • NODE 3001

  • NODE 3002

  • NODE 3001

  • NODE 3002

  • NODE 3001

• 总结

## 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：

schematic representation

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实，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 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

配套项目地址:https://github.com/suifengqjn/PublicChain

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