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6 个重要模块,带你编写一个基于Golang的区块链公链demo!| 博文精选

2019.12.30 18:23

作者 | 肉山大魔王iii

责编 | Carol

出品 | 区块链大本营(blockchain_camp)



好久没和大家一起做实践的环节了,不知道各位是否也手痒痒了呢?


今天给大家带来的是基于 Golang 编写的区块链公链 demo,也就是模仿比特币的功能所编写的区块链公链demo。主要应用到了密码学,共识算法,对等网络,区块链防篡改结构等相关知识,并把各个知识点结合到一起,编写成了简单完善的可运行公链demo。


话不多说,一起试试吧!



程序特点


  • 基于工作量证明共识算法,数据以区块链的结构进行存储

  • 去中心化,运用P2P技术各个节点之间相对独立

  • 主动寻找网络中的对等节点,自动连接并存入本地节点池

  • 节点退出时会向全网广播,其余节点动态更新当前可连接节点池

  • 挖矿成功节点获得记账权,并向全网广播同步最新区块,其余节点验证通过后存入本地区块链中

  • 交易转帐使用UTXO交易模型,支持一次交易存在多笔转账

  • 支持中文助记词导入,由助记词生成公私钥密钥对(使用的椭圆曲线算法)

  • 交易转账使用私钥进行数字签名,公钥验证,并因为UTXO的结构避免了签名的重复使用问题

  • 为未花费UTXO单独建立数据表,优化转账交易速度

  • 使用默克尔树生成交易的根hash(当前demo并没有区分区块头与区块体,仅仅是想使用此数据结构练练手)

  • 持久化区块链与公私钥信息,存入节点本地数据库中(每个节点拥有自己的独立数据库)

  • 自定义挖矿难度值、旷工挖矿奖励值

  • 自定义交易池大小,满足指定笔数的交易后才会开始挖矿



主要模块


  • 命令调度模块

  • UTXO交易生成模块

  • 密码学加解密模块

  • 区块生成、验证模块

  • 数据持久化模块

  • P2P网络通讯模块

  • 日志输出模块


命令调度模块


启动程序后,控制台捕捉用户输入信息,通过对用户的输入解析出命令以及跟随在命令后的值。根据不同命令对程序进行相关操作。


UTXO交易生成模块


交易转账模块基于UTXO模型,但并没有引入比特币脚本,脚本处直接使用数字签名的字节数组进行替代。当用户A转账给用户B时,需要用户A使用私钥对"输入" (包含了用户A所拥有的"输出"交易hash、索引等信息)进行数字签名,生成交易后发送给其他节点,其他节点则使用用户A的公钥对其进行签名验证。


由于UTXO的特殊结构,天然的避免了重放攻击,并不需要像以太坊账户系统一样添加nonce值,但是为了避免UTXO的重复计算问题,在上一笔转账未打包进区块之前暂不支持同一地址的再次转账


支持一笔交易多笔转账,并为了优化转账查询速度创建了UTXO数据表专门用于存储所有区块链中未花费的输出。


密码学加解密模块


1、单向散列函数:sha256 ripemd-160

主要用于将整体区块通过计算转换为固定长度的字符串,方便进行数据校验


2、编解码算法:base58

由于私钥原始长度过长不利于记忆,使用base58编码对私钥、地址进行可视化编码


3、非对称加密:椭圆曲线算法(crypto/elliptic p256)

通过助记词文本提取7对中文词语作为种子,通过使用椭圆曲线算法生成公私钥密钥对,私钥用于对交易数据进行数字签名,公钥对签名进行验证来确保发起人身份。


公钥通过一系列运算生成地址,地址用于查询余额,以及接收转账Token


地址生成规则如下:


  • 通过椭圆曲线算法生成公钥

  • 对公钥进行sha256散列和ripemd160散列,获得publickeyHash

  • 在publickeyHash前面加上version(版本)字节数组获得versionPublickeyHash

  • 对versionPublickeyHash进行两次sha256散列并取前4位字节,获得tailfHash

  • 将tailfHash拼接到versionPublickeyHash后面,获得公钥的最终Hash即finalHash

  • 最后将finalHash进行Base58编码得到比特币地址


曾经有个疑问,为何比特币生成地址要这么麻烦,既然非对称加密只拥有公钥是无法倒推出私钥的,为何不直接使用公钥当地址,而是对公钥进行hash多次来取得地址,直到最近看了篇文章才明白,该文章提到量子计算机是可以破解椭圆曲线加密的,其可以通过公钥快速寻找到私钥信息。但是量子计算机很难逆转Hash算法(或者说需要2的80次方个步骤来破解Hash),所以你的比特币放在一个未支付过的地址中(根据UTXO交易模型,输出存的是公钥Hash而不是公钥,这同样解释了为何UTXO输入存的是公钥而输出存的是公钥Hash)是相当安全的。也就是说已有花费的地址在面对量子计算机面前是不安全的,没有花费的地址有较强的抗量子性。


区块生成、验证


基于POW共识算法生成区块,首先根据难度值(可在配置文件里定义)来定义挖矿难度(一串大数),通过调用go自身的随机数包crypto/rand来不断的变换随机数nonce(上个版本用的nonce值自身累加的方法,但是分叉的概率太大),不断哈希区块自身来使最终计算出来的区块自身hash值小于当前定义的挖矿难度则获得出块权利。


出块节点可获得奖励代币并拥有记账权,出块后像全网进行广播。其余P2P节点收到区块后首先对区块自身hash进行验证,其次检验区块里的prehash与本地的前区块hash是否一致,最后存入本地数据库中。


数据持久化模块


持久化层基于KV型数据库blot多封装了一层,主要接口为put、view、delete。每次调用接口会单独打开、关闭数据库的句柄,所以不会出现被其他线程占用的情况。数据库分别建立了三个表 BlockBucket(用于存放区块的详细信息)、AddrBucket(用于存放本地钱包数据)、UTXOBucket(用于存放未消费UTXO数据)


P2P网络通讯模块


使用适合局域网寻址的mdns技术,由于所使用的包在windows下存在找不到网络的bug,所以本程序建议在linux/mac下运行。


节点启动后会自动在局域网中寻找其他对等节点,发现后会存放在节点池中(存于内存),节点之间相互通讯的数据前十二个字节默认为命令,根据命令不同来对本地的区块链相关信息进行反馈


主要运行原理为分发区块与收到交易后的挖矿:


获取区块流程:

  1. 互相对比区块高度

  2. 获取缺失的区块hash

  3. 通过区块hash来接收缺失的整个区块

  4. 区块验证,存入数据库


挖矿流程:

  1. 通过某个节点发送交易数据到全网节点

  2. 节点接收到交易,对交易进行签名验证,余额验证

  3. 验证通过后存入交易池,满足交易池大小后开始挖矿

  4. 挖矿成功,全网广播区块高度

  5. 发送区块到其他节点

  6. 其他节点进行区块验证,存入数据库


日志输出模块


使用自制的log包,程序启动后会默认在当前目录下(可在配置文件设置)生成log+端口号的日志文件,所有程序产生的debug信息都会打印到此日志文件中,建议开启一个窗口进行实时监听以方便观察节点之间的交互,以及区块生成的详细步骤


【日志包特点】:

  • 支持定向输出日志到指定文件

  • 支持一键隐藏调试信息

  • 支持彩色打印(windows/linux/mac均支持)

  • 显示输出日志的类名、函数/方法名


主要使用的工具包




程序运行教程


1.下载后编译


本demo建议在linux/mac下运行,否则会出现助记词乱码,找不到对等网络的问题。


git clone https://github.com/corgi-kx/blockchain_golang.git
go build -mod=vendor -o chain main.go


2.打开多个窗口


为了简化操作,在同一台电脑中启动不同端口来模拟P2P节点(三个窗口用于启动程序,三个窗口用于实时查看日志)


实机操作时,如果出现找不到其他节点情况可能是防火墙问题,请关闭防火墙后在试



3.修改配置文件


主要修改本地监听ip,本地监听端口。其他的默认即可。


不建议调小难度阀值,避免产生区块分叉情况,demo暂未对区块分叉做处理。


 vi config.yaml
blockchain:  #挖矿难度值,越大越难挖  mine_difficulty_value: 24  #挖矿奖励代币数量  token_reward_num: 25  #交易池大小(满足多少条交易才开始进行挖矿)  trade_pool_length: 2  #日志存放路径  log_path: "./"  #中文助记词种子路径  chinese_mnemonic_path: "./chinese_mnemonic_world.txt"network:  #本地监听IP  listen_host: "192.168.0.164"  #本地监听端口  listen_port: "9000"  #节点组唯一标识名称(如果节点间名称不同会找不到网络)  rendezvous_string: "meetme"  #网络传输流的协议id(如果节点间id不同发送不了数据)  protocol_id: "/chain/1.1.0"


4.启动节点,创建钱包,生成创世区块


启动节点1


./chain


通过命令,先生成三个钱包地址


> generateWallet助记词:["肺段","生地","齿槽","几维","中葡","芒鱼","光华"]私钥:6HrLjHE4Qm31dZFGjemwNLZM3iqnxoSUqKb5VtEKbWzh地址:12BwtcVWimms9rrKxxoCev68woGyMYS4sk> generateWallet助记词:["扭伤","剪创","肌病","下陷","广发","浊音","斜疝"]私钥:7yBRSB46q8ZeEiYbwZDSvKzzsh1MYAygeo2i689uEMAf地址:1B6KYdABXZDwq8xGTbdDknpHBo11CkihxS> generateWallet助记词:["心室","缺缸","瓣胃","黑茶","份额","张铜","回游"]私钥:872CCeLS8bDrC7bdSoFrgUSWm57eqTdypEhKbErYC9xi地址:1E6aRBxfncAsypUnjGxPJYbR4JQ3gZ6hHD


生成创世区块(赋予第一个地址100Tokens)


> genesis -a 12BwtcVWimms9rrKxxoCev68woGyMYS4sk -v 100已成生成创世区块


日志1实时查看日志(可以看到挖矿过程)


tail -f log9000.txt



5.同步区块


节点2、节点3依次修改配置文件的端口号为9001,9002,启动这两个节点来同步创世区块;

这时节点1的日志监测到网络中存在的其他节点。


节点2、节点3 启动后会自动同步创世区块



6.进行转帐操作


每个节点设置挖矿奖励地址(也可以不设置,不设置的情况下,节点挖到矿后不会产生奖励);


节点1设置挖矿奖励地址:


> setRewardAddr -a 12BwtcVWimms9rrKxxoCev68woGyMYS4sk已设置地址12BwtcVWimms9rrKxxoCev68woGyMYS4sk为挖矿奖励地址!


节点2设置挖矿奖励地址:


> setRewardAddr -a 1B6KYdABXZDwq8xGTbdDknpHBo11CkihxS已设置地址1B6KYdABXZDwq8xGTbdDknpHBo11CkihxS为挖矿奖励地址!


节点3设置挖矿奖励地址:


> setRewardAddr -a 1E6aRBxfncAsypUnjGxPJYbR4JQ3gZ6hHD已设置地址1E6aRBxfncAsypUnjGxPJYbR4JQ3gZ6hHD为挖矿奖励地址!


节点1进行转帐操作(创世地址像其他两个地址每个转帐10Tokens)。


> transfer -from ["12BwtcVWimms9rrKxxoCev68woGyMYS4sk","12BwtcVWimms9rrKxxoCev68woGyMYS4sk"] -to ["1B6KYdABXZDwq8xGTbdDknpHBo11CkihxS","1E6aRBxfncAsypUnjGxPJYbR4JQ3gZ6hHD"] -amount [10,10]已执行转帐命令



7.查看余额

三个节点中,由节点2挖到区块,里所应当节点2获得挖矿奖励25Tokens



此时在任意节点敲入getBalance查看余额命令,可以查看三个地址的余额信息


> getBalance -a 12BwtcVWimms9rrKxxoCev68woGyMYS4sk地址:12BwtcVWimms9rrKxxoCev68woGyMYS4sk的余额为:80> getBalance -a 1B6KYdABXZDwq8xGTbdDknpHBo11CkihxS地址:1B6KYdABXZDwq8xGTbdDknpHBo11CkihxS的余额为:35> getBalance -a 1E6aRBxfncAsypUnjGxPJYbR4JQ3gZ6hHD地址:1E6aRBxfncAsypUnjGxPJYbR4JQ3gZ6hHD的余额为:10


8.查看区块详细信息


任意节点输入printAllBlock命令查看区块信息


区块1为创世区块,只有赋予12BwtcVWimms9rrKxxoCev68woGyMYS4sk的100UTXO输出


可以看到区块2:

第一笔交易,地址12BwtcVWimms9rrKxxoCev68woGyMYS4sk先花掉创世区块额度为100的UTXO,给自身生成一个90UTXO,给地址1B6KYdABXZDwq8xGTbdDknpHBo11CkihxS 生成10UTXO 。


第二笔交易地址12BwtcVWimms9rrKxxoCev68woGyMYS4sk使用第一笔交易输出的90额度的UTXO,给自身生成一个80UTXO 以及给地址1E6aRBxfncAsypUnjGxPJYbR4JQ3gZ6hHD 生成10UTXO。


第三笔交易为挖矿奖励交易,所以只有输出,没有输入,给地址1B6KYdABXZDwq8xGTbdDknpHBo11CkihxS 生成25UTXO(在配置文件中设置的25奖励额度)


> printAllBlock                                   ========================================================================================================本块hash         00000008acfb9a8dcf3bb923f4eb6f2ddfc27dcaff861ea6848a9074ca46d85b        ------------------------------交易数据------------------------------         本次交易id:  988ecbe7f374855aa94addb873f22960cf43646bdaeb562533f3e683478270db          tx_input:                        交易id:  bb717bd6717c8cae3829875187b97f256859277ad4a52ac57cdbc132895ca154                        索引:    0                        签名信息:    8c8b0628ceadebbc9e97b490a40a23494d3f8286f1af045f1e1f18d529c49a90afa194799182c264ee15871b5dd35c773e5dd46427fc8e2c268356ce09f6b60b                        公钥:    8e0f1fe7d6177f11027818663048392cee8952cefcf1ceeec8edc84e176f46cedd338575f709b412eeab904d7027056354038f8aef7a1940f45264f7116ba793                        地址:    12BwtcVWimms9rrKxxoCev68woGyMYS4sk          tx_output:                        金额:    90                            公钥Hash:    0d0a1aeb1baf838828a54ac97b09524f0b0c3210                            地址:    12BwtcVWimms9rrKxxoCev68woGyMYS4sk                        ---------------                        金额:    10                            公钥Hash:    6eb2d1846217aa089dfa26e3147b767e1de0b08d                            地址:    1B6KYdABXZDwq8xGTbdDknpHBo11CkihxS         本次交易id:  443b4a4f04204bd8ed2bdfcc096642a27457c27aa47c2ee81486d7440b059521          tx_input:                        交易id:  988ecbe7f374855aa94addb873f22960cf43646bdaeb562533f3e683478270db                        索引:    0                        签名信息:    2a064297227ba07c7ea92eebb1d43f3fe4dfbd6c7e78be8ec2d1d30e20fa51500c8bdb591c11908a877aeef61b4c64f9a851cc44af441cbe6893e1b80e42032c                        公钥:    8e0f1fe7d6177f11027818663048392cee8952cefcf1ceeec8edc84e176f46cedd338575f709b412eeab904d7027056354038f8aef7a1940f45264f7116ba793                        地址:    12BwtcVWimms9rrKxxoCev68woGyMYS4sk          tx_output:                        金额:    80                            公钥Hash:    0d0a1aeb1baf838828a54ac97b09524f0b0c3210                            地址:    12BwtcVWimms9rrKxxoCev68woGyMYS4sk                        ---------------                        金额:    10                            公钥Hash:    8fa79c32a067830be3b16ade637d370e1d1e6e0d                            地址:    1E6aRBxfncAsypUnjGxPJYbR4JQ3gZ6hHD         本次交易id:  2420c67272ab7832d6148a36a6b38166862d12e265f184439e6ab2e606b01245          tx_input:          tx_output:                        金额:    25                            公钥Hash:    6eb2d1846217aa089dfa26e3147b767e1de0b08d                            地址:    1B6KYdABXZDwq8xGTbdDknpHBo11CkihxS        --------------------------------------------------------------------时间戳           2019-11-18 03:23:57 PM区块高度         2随机数           2808567053068705071上一个块hash     0000007d7b7c7b540d9d1b0d1d06b6936e1bc613f6ab7de1ae0275cdaef4e4a4========================================================================================================本块hash         0000007d7b7c7b540d9d1b0d1d06b6936e1bc613f6ab7de1ae0275cdaef4e4a4        ------------------------------交易数据------------------------------         本次交易id:  bb717bd6717c8cae3829875187b97f256859277ad4a52ac57cdbc132895ca154          tx_input:                        交易id:                          索引:    -1                        签名信息:                            公钥:                            地址:              tx_output:                        金额:    100                            公钥Hash:    0d0a1aeb1baf838828a54ac97b09524f0b0c3210                            地址:    12BwtcVWimms9rrKxxoCev68woGyMYS4sk        --------------------------------------------------------------------时间戳           2019-11-18 10:43:41 AM区块高度         1随机数           8604076799988393002上一个块hash     0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000========================================================================================================


9.其他


你也可以在节点2,节点3发起转帐,不过首先需要通过助记词导入钱包信息,例子如下:


importMnword -m ["扭伤","剪创","肌病","下陷","广发","浊音","斜疝"]


更多功能请自行发掘 😃,你有什么想法,欢迎评论区告诉我们~!


源码地址:

https://github.com/corgi-kx/blockchain_golang.git




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