Python社区  »  区块链

使用Go语言编写区块链P2P网络

高可用架构 • 3 年前 • 603 次点击  

导语:本文作者在前几篇文章中展示了一个简单的区块链,包括生成块,验证数据,广播通信,PoW,PoS等。本文继续前文,介绍了p2p网络的基本原理,并且实现了p2p网络区块链。


译者: ChainGod(孙飞)

原文链接: http://chaingod.io/article/20


在之前的文章中,我们已经知道了怎么编写PoW也知道了IPFS怎么工作, 但是有一个致命的缺点,我们的服务都是中心化的,这篇文章会教你怎么实现一个简单的完全去中心化的P2P网络。



背景知识


什么是P2P网络

在真正的P2P架构中,不需要中心化的服务来维护区块链的状态。例如,当你给朋友发送比特币时,比特币区块链的“状态”应该更新,这样你朋友的余额就会增加,你的余额就会减少。


在这个网络中,不存在一个权力高度中心化的机构来维护状态(银行就是这样的中心化机构)。对于比特币网络来说,每个节点都会维护一份完整的区块链状态,当交易发生时,每个节点的区块链状态都会得到更新。这样,只要网络中51%的节点对区块链的状态达成一致,那么区块链网络就是安全可靠的,具体可以阅读这篇一致性协议文章[4]。


本文将继续之前的工作,200行Go代码实现区块链[5], 并加入P2P网络架构。在继续之前,强烈建议你先阅读该篇文章,它会帮助你理解接下来的代码。


开始实现

编写P2P网络可不是开开玩笑就能简单实现的,有很多边边角角的情况都要覆盖到,而且需要你拥有很多工程学的知识,这样的P2P网络才是可扩展、高可靠的。有句谚语说得好:站在巨人肩膀上做事,那么我们先看看巨人们提供了哪些工具吧。


喔,看看,我们发现了什么!一个用Go语言实现的P2P库go-libp2p[1]!如果你对新技术足够敏锐,就会发现这个库的作者和IPFS的作者是同一个团队。如果你还没看过我们的IPFS教程[2],可以看看这里, 你可以选择跳过IPFS教程,因为对于本文这不是必须的。


警告

目前来说,go-libp2p主要有两个缺点:

  1. 安装设置比较痛苦,它使用gx作为包管理工具,怎么说呢,不咋好用,但是凑活用吧

  2. 目前项目还没有成熟,正在紧密锣鼓的开发中,当使用这个库时,可能会遇到一些数据竞争(data race)


对于第一点,不必担心,有我们呢。第二点是比较大的问题,但是不会影响我们的代码。假如你在使用过程中发现了数据竞争问题,记得给项目提一个issue,帮助它更好的成长!


总之,目前开源世界中,现代化的P2P库是非常非常少的,因为我们要多给go-libp2p一些耐心和包容,而且就目前来说,它已经能很好的满足我们的目标了。


安装设置

最好的环境设置方式是直接clone libp2p库,然后在这个库的代码中直接开发。你也可以在自己的库中,调用这个库开发,但是这样就需要用到gx了。这里我们使用简单的方式,假设你已经安装了Go:

  • go get -d github.com/libp2p/go-libp2p/…

  • cd go-libp2p

  • make

  • make deps


这里会通过gx包管理工具下载所有需要的包和依赖,再次申明,我们不喜欢gx,因为它打破了Go语言的很多惯例,但是为了这个很棒的库,认怂吧。

这里,我们在examples子目录下进行开发,因此在go-libp2p的examples下创建一个你自己的目录

  • mkdir ./examples/p2p


然后进入到p2p文件夹下,创建main.go文件,后面所有的代码都会在该文件中。


你的目录结构是这样的:

好了,勇士们,拔出你们的剑,哦不,拔出你们的main.go,开始我们的征途吧!


导入相关库


这里申明我们需要用的库,大部分库是来自于go-libp2p本身的,在教程中,你会学到怎么去使用它们。

spew包可以很方便、优美的打印出我们的区块链,因此记得安装它:

  • go get github.com/davecgh/go-spew/spew


区块链结构

记住,请先阅读200行Go代码实现区块链, 这样,下面的部分就会简单很多。

先来申明全局变量:



  • 我们是一家健康看护公司,因此Block中存着的是用户的脉搏速率BPM

  • Blockchain是我们的"状态",或者严格的说:最新的Blockchain,它其实就是Block的切片(slice)

  • mutex是为了防止资源竞争出现


下面是Blockchain相关的特定函数:

  • isBlockValid检查Block的hash是否合法

  • calculateHash使用sha256来对原始数据做hash

  • generateBlock创建一个新的Block区块,然后添加到区块链Blockchain上,同时会包含所需的事务


P2P结构

下面我们快接近核心部分了,首先我们要写出创建主机的逻辑。当一个节点运行我们的程序时,它可以作为一个主机,被其它节点连接。下面一起看看代码:



makeBasicHost函数有3个参数,同时返回一个host结构体

  • listenPort是主机监听的端口,其它节点会连接该端口

  • secio表明是否开启数据流的安全选项,最好开启,因此它代表了"安全输入/输出"

  • randSeed是一个可选的命令行标识,可以允许我们提供一个随机数种子来为我们的主机生成随机的地址。这里我们不会使用


函数的第一个if语句针对随机种子生成随机key,接着我们生成公钥和私钥,这样能保证主机是安全的。opts部分开始构建网络地址部分,这样其它节点就可以连接进来。


!secio部分可以绕过加密,但是我们准备使用加密,因此这段代码不会被触发。

接着,创建了主机地址,这样其他节点就可以连接进来。log.Printf可以用来在控制台打印出其它节点的连接信息。最后我们返回生成的主机地址给调用方函数。


流处理

之前的主机需要能处理进入的数据流。当另外一个节点连接到主机时,它会想要提出一个新的区块链,来覆盖主机上的区块链,因此我们需要逻辑来判定是否要接受新的区块链。


同时,当我们往本地的区块链添加区块后,也要把相关信息广播给其它节点,这里也需要实现相关逻辑。


先来创建流处理的基本框架吧:



这里创建一个新的ReadWriter,为了能支持数据读取和写入,同时我们启动了一个单独的Go协程来处理相关读写逻辑。


读取数据

首先创建readData函数:



该函数是一个无限循环,因为它需要永不停歇的去读取外面进来的数据。首先,我们使用ReadString解析从其它节点发送过来的新的区块链(JSON字符串)。


然后检查进来的区块链的长度是否比我们本地的要长,如果进来的链更长,那么我们就接受新的链为最新的网络状态(最新的区块链)。


同时,把最新的区块链在控制台使用一种特殊的颜色打印出来,这样我们就知道有新链接受了。


如果在我们主机的本地添加了新的区块到区块链上,那就需要把本地最新的区块链广播给其它相连的节点知道,这样这些节点机会接受并更新到我们的区块链版本。这里使用writeData函数:



首先是一个单独协程中的函数,每5秒钟会将我们的最新的区块链状态广播给其它相连的节点。它们收到后,如果发现我们的区块链比它们的要短,就会直接把我们发送的区块链信息丢弃,继续使用它们的区块链,反之则使用我们的区块链。总之,无论哪种方法,所有的节点都会定期的同步本地的区块链到最新状态。


这里我们需要一个方法来创建一个新的Block区块,包含之前提到过的脉搏速率(BPM)。为了简化实现,我们不会真的去通过物联网设备读取脉搏,而是直接在终端控制台上输入一个脉搏速率数字。


首先要验证输入的BPM是一个整数类型,然后使用之前的generateBlock来生成区块,接着使用spew.Dump输入到终端控制台,最后我们使用rw.WriteString把最新的区块链广播给相连的其它节点。


牛逼了我的哥,现在我们完成了区块链相关的函数以及大多数P2P相关的函数。在前面,我们创建了流处理,因此可以读取和写入最新的区块链状态;创建了状态同步函数,这样节点之间可以互相同步最新状态。


剩下的就是实现我们的main函数了:



首先是创建一个创世区块(如果你读了200行Go代码实现你的区块链,这里就不会陌生)。


其次我们使用go-libp2p的SetAllLoggers日志函数来记录日志。

接着,设置了所有的命令行标识:

  • secio之前有提到,是用来加密数据流的。在我们的程序中,一定要打开该标识

  • target指明当前节点要连接到的主机地址

  • listenF是当前节点的监听主机地址,这样其它节点就可以连接进来,记住,每个节点都有两个身份:主机和客户端, 毕竟P2P不是白叫的

  • seed是随机数种子,用来创建主机地址时使用


然后,使用makeBasicHost函数来创建一个新的主机地址,如果我们只想做主机不想做客户端(连接其它的主机),就使用if *target == “”。


接下来的几行,会从target解析出我们要连接到的主机地址。然后把peerID和主机目标地址targetAddr添加到"store"中,这样就可以持续跟踪我们跟其它主机的连接信息,这里使用的是ha.Peerstore().AddAddr函数。


接着我们使用ha.NewStream连接到想要连接的节点上,同时为了能接收和发送最新的区块链信息,创建了ReadWriter,同时使用一个Go协程来进行readData和writeData。


哇哦

终于完成了,写文章远比写代码累!我知道之前的内容有点难,但是相比P2P的复杂性来说,你能通过一个库来完成P2P网络,已经很牛逼了,所以继续加油!


完整代码

mycoralhealth/blockchain-tutorial


运行结果

现在让我们来试验一下,首先打开3个独立的终端窗口做为独立节点。

开始之前,请再次进入go-libp2p的根目录运行一下make deps,确保所有依赖都正常安装。


回到你的工作目录examples/p2p,打开第一个终端窗口,输入
go run main.go -l 10000 -secio


细心的读者会发现有一段话"Now run…",那还等啥,继续跟着做吧,打开第二个终端窗口运行:

go run main.go -l 10001 -d -secio


这是你会发现第一个终端窗口检测到了新连接!


接着打开第三个终端窗口,运行:

go run main.go -l 10002 -d -secio


检查第二终端,又发现了新连接


接着,该我们输入BPM数据了,在第一个终端窗口中输入"70",等几秒中,观察各个窗口的打印输出。


来看看发生了什么:

  • 终端1向本地的区块链添加了一个新的区块Block

  • 终端1向终端2广播该信息

  • 终端2将新的区块链跟本地的对比,发现终端1的更长,因此使用新的区块链替代了本地的区块链,然后将新的区块链广播给终端3

  • 同上,终端3也进行更新


所有的3个终端节点都把区块链更新到了最新版本,同时没有使用任何外部的中心化服务,这就是P2P网络的力量!


我们再往终端2的区块链中添加一个区块试试看,在终端2中输入"80"


结果忠诚的记录了我们的正确性,再一次欢呼吧!


下一步

先享受一下自己的工作,你刚用了区区几百行代码就实现了一个全功能的P2P网络!这不是开玩笑,P2P编程是非常复杂的,为什么之前没有相关的教程,就是因为太难了。


但是,这里也有几个可以改进的地方,你可以挑战一下自己:

  • 之前提到过,go-libp2p是存在数据竞争的Bug的,因此如果你要在生产环境使用,需要格外小心。一旦发现Bug,请反馈给作者团队知道

  • 尝试将本文的P2P网络跟之前的共识协议结合,例如之前的文章PoW 和PoS

  • 添加持久化存储。截止目前,为了简化实现,我们没有实现持久化存储,因此节点关闭,数据就丢失了

  • 本文的代码没有在大量节点的环境下测试过,试着写一个脚本运行大量节点,看看性能会怎么变化。如果发现Bug记得提交给我们[6]


学习一下节点发现技术。新节点是怎么发现已经存在的节点的?这篇文章是一个很好的起点[3]


参考链接:

[1] https://github.com/libp2p/go-libp2p

[2] https://medium.com/@mycoralhealth/learn-to-securely-share-files-on-the-blockchain-with-ipfs-219ee47df54c

[3] https://bitcoin.stackexchange.com/questions/3536/how-do-bitcoin-clients-find-each-other

[4] https://medium.com/@mycoralhealth/code-your-own-blockchain-mining-algorithm-in-go-82c6a71aba1f

[5] https://medium.com/@mycoralhealth/code-your-own-blockchain-in-less-than-200-lines-of-go-e296282bcffc

[6] https://github.com/mycoralhealth/blockchain-tutorial/tree/master/p2p


相关阅读:

只用200行Go代码写一个自己的区块链!

200行Go代码实现自己的区块链——区块生成与网络通信

200行Go代码实现区块链 —— 挖矿算法

使用Go语言从零编写PoS区块链

区块链及比特币入门指南


特别推荐:

比特币、以太坊、ERC20、PoW、PoS、智能合约、闪电网络……

想深入了解及讨论这些话题?高可用架构在知识星球(小密圈)创建了区块链学习小组,共同学习区块链包括数字货币前沿技术,欢迎点击链接加入。


区块链学习小组


文作者 Coral Health,由ChainGod(孙飞)翻译。转载译文请注明出处,技术原创及架构实践文章,欢迎通过公众号菜单「联系我们」进行投稿。


高可用架构

改变互联网的构建方式

长按二维码 关注「高可用架构」公众号




今天看啥 - 高品质阅读平台
本文地址:http://www.jintiankansha.me/t/Un1md9owus
Python社区是高质量的Python/Django开发社区
本文地址:http://www.python88.com/topic/11308
 
603 次点击  
分享到微博