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【技术篇】区块链之网络架构详解(上)

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。

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:这是一个实验模式下 P2P 网络原型。本文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,无法保证在其他场景将会正常工作。

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:

微信图片_20180506164532.jpg

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:

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。

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。

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:

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。

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。

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:

中心节点创建一个区块链。

一个其他(钱包)节点连接到中心节点并下载区块链。

另一个(矿工)节点连接到中心节点并下载区块链。

钱包节点创建一笔交易。

矿工节点接收交易,并将交易保存到内存池中。

当内存池中有足够的交易时,矿工开始挖一个新块。

当挖出一个新块后,将其发送到中心节点。

钱包节点与中心节点进行同步。

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 stringvar 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 commandn”, 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。

好,上半部分已经结束,接下来的内容会比较复杂。敬请期待。

原标题:[区块链研究实验室]区块链之网络架构详解   原作者: 链三丰

根据国家《关于防范代币发行融资风险的公告》,大家应警惕代币发行融资与交易的风险隐患。

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