我的区块链技术学习笔记(二十):比特币场景化实践(1)

本文的目标是实现比特币的如下实践场景……

attachments-2018-01-kwCCxGek5a7020259fe47.作者: Ivan Kuznetsov  吴寿鹤等

著作权归作者所有。商业转载请联系作者获得授权,非商业转载请注明出处。

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
            }
        }
    }
}

未完待续……

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  • 发表于 2018-01-30 15:21
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