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538
极客时间专栏/geek/深入浅出区块链/第五章 如何从业区块链/第36讲 | 搭建你的迷你区块链（实践篇）.md
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538
极客时间专栏/geek/深入浅出区块链/第五章 如何从业区块链/第36讲 | 搭建你的迷你区块链（实践篇）.md
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@@ -0,0 +1,538 @@
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<audio id="audio" title="第36讲 | 搭建你的迷你区块链（实践篇）" controls="" preload="none"><source id="mp3" src="https://static001.geekbang.org/resource/audio/fa/80/fa62b36d3b16ed11fcc1eb54c5b0f480.mp3"></audio>
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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。
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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。
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## 代码编写
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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。
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### 代码编写1 Server
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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()。
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所以，我们的代码大概是这样子的。
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```
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// server setup
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node my_node;
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mgbubble::RestServ Server{"webroot", my_node};
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auto& conn = Server.bind("0.0.0.0:8000");
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mg_set_protocol_http_websocket(&conn);
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log::info("main")<<"httpserver started";
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Server.run();
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```
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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。
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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。
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### 代码编写2 node
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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。
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这里的区块链ID我们设置在这里。
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```
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blockchain(uint16_t id = 3721)9273_(id) {
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id_ = id;
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create_genesis_block();
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}
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```
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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。
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在一个node当中，至少要包含network、blockchain、miner三个模块。
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```
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public:
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void miner_run(address_t address);
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blockchain& chain() { return blockchain_; }
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network& p2p() { return network_; }
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```
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```
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private:
|
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network network_;
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blockchain blockchain_;
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miner miner_{blockchain_};
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```
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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。
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同时，node也会提供一些blockchain和miner的接口，方便Server层调用。
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### 代码编写3 blockchain
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一个blockchain实例，应当包含下面的内容。
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```
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uint16_t id_;
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block genesis_block_;
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chain_database chain_;
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key_pair_database key_pair_database_;
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||||
memory_pool_t pool_;
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```
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genesis**block** 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。
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chain**database chain** 是相对于memory**pool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）。
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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。
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```
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// 装载交易
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new_block.setup(pool);
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```
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||||
这里的pool就是交易池。
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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。
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同时blockchain也负责统一对外提供上述功能的接口。
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```
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// 获取当前节点高度
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uint64_t height() { return chain_.height(); }
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||||
// 获取当前节点最新区块
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block get_last_block();
|
||||
// 查询指定区块
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||||
bool get_block(sha256_t block_hash, block& out);
|
||||
// 查询指定交易
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||||
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
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||||
auto id() {return id_;}
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||||
// 获得交易池数据
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memory_pool_t pool() { return pool_; }
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||||
// 区块打包成功以后，用于清空交易池
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||||
void pool_reset() { pool_.clear(); }
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||||
// 从网络中收集未确认的交易到交易池
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||||
void collect(tx& tx) {
|
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pool_.push_back(tx);
|
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}
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||||
void merge_replace(block_list_t& block_list)；
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```
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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。
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### 代码编写4 network
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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。
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```
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public:
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||||
void broadcast(const block& block);
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||||
void broadcast(const tx& transaction);
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||||
void process(event_t ev, func_t f);
|
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||||
```
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||||
```
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||||
private:
|
||||
endpoint_book_t book_;
|
||||
channels_t channels_;
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```
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||||
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。
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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。
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||||
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。
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### 代码编写5 consensus
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||||
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。
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||||
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。
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```
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||||
bool validate_tx(const tx& new_tx) ;
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||||
bool validate_block(const tx& new_block) ;
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```
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||||
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。
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||||
```
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public:
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||||
//开始挖矿
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||||
void start(address_t& addr);
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||||
inline bool pow_once(block& new_block, address_t& addr);
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||||
// 填写自己奖励——coinbase
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||||
tx create_coinbase_tx(address_t& addr);
|
||||
|
||||
private:
|
||||
blockchain& chain_;
|
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```
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||||
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||||
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。
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||||
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。
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```
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||||
bool miner::pow_once(block& new_block, address_t& addr) {
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||||
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||||
auto&& pool = chain_.pool();
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||||
|
||||
auto&& prev_block = chain_.get_last_block();
|
||||
|
||||
// 填充新块
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||||
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();
|
||||
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||||
// 难度调整:
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||||
// 控制每块速度，控制最快速度，大约10秒
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||||
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
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||||
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
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||||
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;
|
||||
}
|
||||
}
|
||||
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||||
```
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||||
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。
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||||
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。
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### 代码编写6 database
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||||
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。
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||||
上文blockchain中的blockchain_database和keypair_database都是从database派生过来的。
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```
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key_pair_database
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||||
|
||||
// 相当于是本地钱包的私钥管理
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||||
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_;
|
||||
|
||||
```
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||||
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||||
### 代码编写7 commands
|
||||
|
||||
commands提供了开发者命令行交互接口。
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||||
|
||||
```
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||||
|
||||
bool exec(Json::Value& out);
|
||||
|
||||
static const vargv_t commands_list;
|
||||
|
||||
private:
|
||||
vargv_t vargv_;
|
||||
node& node_;
|
||||
|
||||
```
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||||
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。
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||||
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||||
先被command解析，接着执行exec，执行的时候需要用到node对象。
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||||
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。
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||||
|
||||
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。
|
||||
|
||||
```
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||||
|
||||
std::string url{"127.0.0.1:8000/rpc"};
|
||||
// HTTP request call commands
|
||||
HttpReq req(url, 3000, reply_handler(my_impl));
|
||||
|
||||
```
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||||
### 代码编写8 基础类
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||||
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||||
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。
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||||
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||||
```
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||||
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
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||||
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。
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||||
编译成功是这样子的。
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||||
<img src="https://static001.geekbang.org/resource/image/32/81/32c5b165815109bf8bb088ea26840781.png" alt="">
|
||||
|
||||
我们可以看到有Tinychain和Cli-tinychain。
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||||
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||||
<img src="https://static001.geekbang.org/resource/image/51/75/513ed7a30252931af514559789292a75.png" alt="">
|
||||
|
||||
Tnychain就是我们的核心程序，cli-tinychain就是我们的命令行客户端。
|
||||
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||||
实际上我在Server里还嵌入了一个可视化的Websocket界面。
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||||
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||||
<img src="https://static001.geekbang.org/resource/image/62/88/62e883f4177cd5d117025cee207ec188.png" alt="">
|
||||
|
||||
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。
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||||
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。
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||||
我们开始首次运行Tinychain。
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||||
<img src="https://static001.geekbang.org/resource/image/1e/c9/1e9c369b71436faf3e4778d4ec6358c9.png" alt="">
|
||||
|
||||
运行后，等node和server全部started，就可以开始操作命令行了。
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||||
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||||
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。
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||||
## 首次挖矿
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||||
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||||
我们通过./tinychain启动之后，开始第一次挖矿。
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||||
|
||||
```
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||||
✘ 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
|
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},
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"txs" :
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[
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{
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"hash" : "cddf6e838eff470d81155cb4c26fd3a7615b94a00e82f99b1fd9f583d7bc0659",
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||||
"inputs" :
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||||
[
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||||
{
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||||
"hash" : "00000000000000000000000000000000",
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||||
"index" : 0
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||||
}
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||||
],
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||||
"outputs" :
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||||
[
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||||
{
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"address" : "122b03d11a622ac3384904948c4d808",
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"value" : 1000
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}
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]
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}
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]
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}
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```
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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。
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我们可以通过这个位置观察难度调整的情况。
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<img src="https://static001.geekbang.org/resource/image/e9/43/e91d8eb7857043c606266e591d5f8f43.png" alt="">
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## 第一笔交易
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我们保持挖矿，接下来发送一笔交易。
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我们先通过getnewkey命令获得一个新公私钥对以及对应的地址。
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<img src="https://static001.geekbang.org/resource/image/76/a5/76de5f90f37883321783c99032ec62a5.png" alt="">
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接着发送第一笔交易。
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<img src="https://static001.geekbang.org/resource/image/7f/da/7f84d975e3d38641c50804e1982560da.png" alt="">
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探测到接下来被打包到区块中。
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<img src="https://static001.geekbang.org/resource/image/a2/9c/a236bed57775c050b6e6d43b2156979c.png" alt="">
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## 分叉与合并
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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## 总结
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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。
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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。
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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。
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感谢你的收听，我们下次再见。
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