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技术详解 | 系列一:Go语言实现Pow共识算法

技术详解 | 系列一:Go语言实现Pow共识算法

PoW呢…Proof of Work ,工作量证明机制,可能这个名字大家不熟悉,说比特币的话,大家就熟悉了。没错,PoW就是比特币所使用的共识机制。

通过计算一个数值( nonce ),使得拼揍上交易数据后内容的 Hash 值满足规定的上限。在节点成功找到满足的Hash值之后,会马上对全网进行广播打包区块,网络的节点收到广播打包区块,会立刻对其进行验证。

如果验证通过,则表明已经有节点成功解迷,自己就不再竞争当前区块打包,而是选择接受这个区块,记录到自己的账本中,然后进行下一个区块的竞争猜谜。网络中只有最快解谜的区块,才会添加的账本中,其他的节点进行复制,这样就保证了整个账本的唯一性。

假如节点有任何的作弊行为,都会导致网络的节点验证不通过,直接丢弃其打包的区块,这个区块就无法记录到总账本中,作弊的节点耗费的成本就白费了,因此在巨大的挖矿成本下,也使得矿工自觉自愿的遵守比特币系统的共识协议,也就确保了整个系统的安全。

举个例子,给定的一个基本的字符串”Hello, world!”,我们给出的工作量要求是,可以在这个字符串后面添加一个叫做nonce的整数值,对变更后(添加nonce)的字符串进行SHA256哈希运算,如果得到的哈希结果(以16进制的形式表示)是以”0000”开头的,则验证通过。为了达到这个工作量证明的目标。我们需要不停的递增nonce值,对得到的新字符串进行SHA256哈希运算。按照这个规则,我们需要经过4251次计算才能找到恰好前4位为0的哈希散列。

如图所示

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然后我们今天呢,就用Go语言来实现它。

话不多说,首先从环境搭建教起,对,没错,Golang (https://www.golangtc.com/download)。

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选择你需要的,笔者话,选择的是go1.9.2windows-amd64.msi,不用配置环境,这里展示一下

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这样的话就妥了,然后呢,下载git,git (https://git-scm.com/downloads)。

下载后打开,安装我们本次所需要的三个第三方库,spew,gorilla/mux,godotenv

spew 在控制台中格式化输出相应的结果。

gorilla/mux 是编写web处理程序的流行软件包。

godotenv 可以从我们项目的根目录的 .env 文件中读取数据。

事实上如果你打算做公链开发相关,这三个依赖是一直都要用的

在git里分别输入

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

$ go get github.com/gorilla/mux

$ go get github.com/joho/godotenv

友情提示这里会遇到一个很尴尬的问题,bash: $’302226go‘: command notfound,这个错误是这样的

只是因为你多加了一个空格在前面,删掉空格就好了,亲测有效

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好了我们继续,安装后环境之后呢

新建一个文件,叫.env,里面输入ADDR=8080,这是调用8080端口的意思,win环境下的话,会提示你必须键入文件名,所以我们将文件名修改成.env.   就可以创建.env这种.开头的文件了。

再建一个文件叫,mian.go。这就是咱们的“源码”了,打开它开始编程。

首先是引入相应的包 ,来咱们逐个解释一下

package main  /*定义报名,package main表示一个可独立执行的程序,每个 Go 应用程序都包含一个名为 main 的包 */

import(  //导入包(的函数或者其他元素)

“crypto/sha256”/* 软件包sha256 实现FIPS 180-4 中定义的 SHA224 和 SHA256哈希算法。*/

“encoding/hex”//包十六进制实现十六进制编码和解码。

“encoding/json” /* 包json实现了RFC 4627中定义的JSON的编码和解码。JSON和Go值之间的映射在Marshal和 Unmarshal函数的文档中进行了描述。有关此包的介绍,请参阅“JSON和Go”:https://golang.org/doc/articles/json_and_go.html  */

“fmt” /* fmt 包使用函数实现 I/O 格式化(类似于 C 的 printf 和 scanf 的函数), 格式化参数源自C,但更简单 */

“io” /* Package io 为 I/O 原语提供基本接口。它的主要工作是将这些原语的现有实现(例如包 os 中的那些原语)包装到抽象功能的共享公共接口中,以及一些其他相关原语中 */

“log”/* Log包实现了一个简单的日志包。它定义了一个类型,记录器,用于格式化输出的方法。它还有一个预定义的“standard”记录器,可以通过帮助函数 Printf|ln,Fatalf|ln 和 Panicf|ln 访问,比手动创建记录器更易于使用。该记录器写入标准错误并打印每条记录的消息的日期和时间。每条日志消息都在一个单独的行上输出:如果正在打印的消息不以换行符结尾,则记录器将添加一条。写入日志消息后,致命函数调用 os.Exit(1) 。写入日志消息后, Panic 函数调用 panic */

“net/http”  //http包提供HTTP客户端和服务器实现

“os”/* Package os为操作系统功能提供了一个平台无关的接口。虽然错误处理类似于 Go,但设计类似 Unix,失败的调用返回类型错误的值而不是错误号  */

“strconv”//包strconv实现了对基本数据类型的字符串表示的转换

“strings”//打包字符串实现简单的函数来操纵 UTF-8 编码的字符串

“sync”/* 程序包 sync 提供基本的同步原语,如互斥锁。除了 Once 和 WaitGroup 类型之外,大多数类型都是供低级库例程使用的。通过 Channel 和沟通可以更好地完成更高级别的同步 */

“time”//打包时间提供了测量和显示时间的功能。日历计算总是假定公历,没有闰秒

“github.com/davecgh/go-spew/spew”//这三就是刚才那三个倒霉孩子

“github.com/gorilla/mux”

“github.com/joho/godotenv”

)

定义一下区块中有的

const difficulty = 1/*difficulty 代表难度系数,如果赋值为 1,则需要判断生成区块时所产生的Hash 前缀至少包含1个 0 */

type Block struct //Block 是我们定义的结构体,它代表组成区块链的每一个块的数据模型

{

Index int //区块链中数据记录的位置

Timestamp string //时间戳,是自动确定的,并且是写入数据的时间

Bike int /*假定我们现在做的是一个共享单车的区块链,Bike就是一定区域内的自行车数量*/

 Hash string //是代表这个数据记录的SHA256标识符

 PrevHash string //是链中上一条记录的SHA256标识符

 Difficulty int //挖矿的难度

 Nonce string //PoW中符合条件的数字

}

var Blockchain []Block // 存放区块数据

type Message struct{  // 定义结构体,请求的数据

  Bike int

}

var mutex = &sync.Mutex{}//用sync防止同一时间产生多个区块

 

定义完成之后,就是该生成区块了

func generateBlock(oldBlock Block, Bike int)Block { //定义函数

var newBlock Block //新区块

 t := time.Now()

 newBlock.Index = oldBlock.Index + 1  //区块的增加,index也加一

 newBlock.Timestamp = t.String() //时间戳

 newBlock.Bike = Bike 

 newBlock.PrevHash = oldBlock.Hash  //新区块的PrevHash存储上一个区块的Hash

newBlock.Difficulty = difficulty

                 

for i := 0; ; i++ {//通过循环改变 Nonce

            hex := fmt.Sprintf(“%x”, i)

             newBlock.Nonce= hex //选出符合难度系数的Nonce

if !isHashValid(calculateHash(newBlock),newBlock.Difficulty) { 

//判断Hash的0的个数,是否与难度系数一致  

 fmt.Println(calculateHash(newBlock), ” do morework!”)//挖矿中

 time.Sleep(time.Second)

                                         continue

                               } else {

 fmt.Println(calculateHash(newBlock), ” workdone!”) //挖矿成功

 newBlock.Hash = calculateHash(newBlock)

  break

                              }

                  }

                  return newBlock

}

 接着定义之前提到的isHashValid函数,这个函数的作用是判断Hash的0的个数,是否与难度系数一致 

func isHashValid(hash string, difficulty int) bool {

 prefix := strings.Repeat(“0”,difficulty)  //复制 difficulty 个0,并返回新字符串,当 difficulty 为 4 ,则 prefix 为 0000

return strings.HasPrefix(hash, prefix) // 判断字符串 hash 是否包含前缀 prefix

}

 接着,我们要开始生成Hash值

func calculateHash(block Block) string {

      record:=strconv.Itoa(block.Index)+block.Timestamp+strconv.Itoa(block.BPM)+block.PrevHash+ block.Nonce

                  h := sha256.New()

                  h.Write([]byte(record))

                  hashed := h.Sum(nil)

                  return hex.EncodeToString(hashed)

}

Hash值完成之后,我们就要来验证区块了,定义一个isBlockValid函数

func isBlockValid(newBlock, oldBlock Block) bool {

        ifoldBlock.Index+1 != newBlock.Index { 

                 return false //确认Index的增长正确 

                   } //双重否定(笑)

        if oldBlock.Hash != newBlock.PrevHash {

                return false  //确认PrevHash与前一个块的Hash相同   

                   }

                if calculateHash(newBlock) != newBlock.Hash

//在当前块上 calculateHash 再次运行该函数来检查当前块的Hash

                           return false

                  }

                  return true

 ok,区块的定义到此就告一段落,接下来我们需要定义web服务器方面

func run() error {  //run函数作为启动http服务器的函数

            mux := makeMuxRouter() 

//makeMuxRouter 主要定义路由处理

                   httpAddr := os.Getenv(“ADDR”)    //.env

                  log.Println(“Listening on “,os.Getenv(“ADDR”))

                  s := &http.Server{

                                             Addr: “:” +httpAddr,  

                                             Handler: mux,

                                             ReadTimeout: 10 * time.Second,

                                             WriteTimeout: 10 * time.Second,

                                             MaxHeaderBytes: 1 << 20,

                  }

                  if err := s.ListenAndServe(); err != nil {

                                             return err

                  }

                  return nil

}

func makeMuxRouter() http.Handler {

       muxRouter :=mux.NewRouter()

      muxRouter.HandleFunc(“/”,handleGetBlockchain).Methods(“GET”)

//当收到GET请求,调用handleGetBlockchain函数

      muxRouter.HandleFunc(“/”,handleWriteBlock).Methods(“POST”)

 //当收到POST请求,调用handleWriteBlock函数

                   return muxRouter

}

接下来,就是需要在服务器这边,遍历,就是获取所有区块的列表信息,主要作用当然还是处理HTTP的GET请求

func handleGetBlockchain(w http.ResponseWriter, r*http.Request) { 

 //处理HTTP的GET请求

        bytes, err := json.MarshalIndent(Blockchain,””, ” “)

       if err != nil {

              http.Error(w, err.Error(), http.StatusInternalServerError) return

                  }

                  io.WriteString(w, string(bytes))

}

 handleWriteBlock 主要是生成新的区块,以及处理HTTP的GET请求

func handleWriteBlock(w http.ResponseWriter, r*http.Request) {

                  w.Header().Set(“Content-Type”,”application/json”)

                  var m Message  //当服务器错误,返回相应信息

                   decoder :=json.NewDecoder(r.Body)

                  if err := decoder.Decode(&m); err != nil {

                                    respondWithJSON(w, r, http.StatusBadRequest, r.Body)

                                    return

                  }

                  defer r.Body.Close()  

                  mutex.Lock() //产生区块

                  newBlock :=generateBlock(Blockchain[len(Blockchain)-1],m.BPM)

                  mutex.Unlock()  //判断区块的合法性

                   ifisBlockValid(newBlock, Blockchain[len(Blockchain)-1]) { 

//通过数组维护区块链
                                      Blockchain =append(Blockchain, newBlock)

                                    spew.Dump(Blockchain)

                  }

                  respondWithJSON(w, r, http.StatusCreated, newBlock)

}

 错误部分

func respondWithJSON(w http.ResponseWriter, r*http.Request, code int, payload interface{}) {

                  w.Header().Set(“Content-Type”, “application/json”)

                  response, err := json.MarshalIndent(payload,””, ” “) 

                  if err != nil {

                                   w.WriteHeader(http.StatusInternalServerError)

                                    w.Write([]byte(“HTTP500: Internal Server Error”)) return  /*如果出错,返回服务器500错误*/
                  }

                  w.WriteHeader(code)

                  w.Write(response)

}

 然后是主函数

func main() {

                   err := godotenv.Load() //允许我们读取.env

                   if err != nil {

                                    log.Fatal(err)

                    }

                    go func() {

                                   t := time.Now()

                                   genesisBlock := Block{}//此乃创世区块

                                    genesisBlock= Block{0, t.String(), 0, calculateHash(genesisBlock), “”,difficulty, “”}

                                   spew.Dump(genesisBlock)

                                   mutex.Lock()

                                   Blockchain = append(Blockchain, genesisBlock)

                                   mutex.Unlock() }()

log.Fatal(run()) //启动web服务

}

到这里main.go就写完了,我们开始测试
首先打开cmd…命令行工具,进入mian.go所在的目录

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然后运行代码,go run main.go

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我们可以看到区块信息,当然仅有一个区块肯定是不够的,运算和验证都无法完成,这时我们打开Postman,一个很好用的测试API接口的工具,我们在Postman里使用POST方式访问localhost:8080,因为.env文件调用的是8080端口有,随后在body里的raw,因为我们是共享单车类的,所以修改Bike的值为100。

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保存,让我们看看命令行这边会不会开始挖矿。

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可以看到一次就完成了word done的挖矿成功,是因为我们的运气真是非常之好,如果在挖比特币的时候也这么好运就。。。好因为这一次的巧合,不能算在成功的测试,我们再来一次,将Bike的值修改为120。

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然后返回命令行

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可以看到这次呢,就经过了非常多的运算才完成挖矿,三个区块都有,让我们验证一下

可以看到index的值分别是0,1,2.自增了1,而且第二块的PrevHash值正是第一块的Hash值,第三块同理。

到这里我们就算是完成了PoW机制的实现。

这里放一下统一的源码吧,是没有注释的版本

https://github.com/redshround/PoW,ok就这个网址

这里推荐几个好的go语言学习教程,适合萌新的学习

http://www.runoob.com/go/go-tutorial.html,菜鸟教程的名号大家应该都听过,有比较统一完善的教程,基础实战在线编译一气呵成

https://studygolang.com,GO语言中文网,这里聚集了很多GO语言的学习者和开发者,都有不同风格的教程,也可以直接和大佬们交流

http://c.biancheng.net/golang,C语言中文网的Golang部分,凑活能用

https://www.jianshu.com/p/226c80c481a1,简书上的一个很不错的博客,全是实战案例,适合学习了一段时间求成的开发者

在以后的日子里,会逐渐更新go语言实现其他的共识机制,到最后会讲到,完全由自己实现的一条公链,敬请期待关注。

作者:张详,闫思

文章声明:本文为火星财经专栏作者作品,版权归作者所有。文章为作者本人观点,不代表火星财经立场。

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。

本文来自LIANYI转载,不代表链一财经立场,转载请联系原作者。

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