使用Go語言編寫區塊鍊P2P網絡(譯)

外文發表日期： 2018-04-14

外文連結：https://medium.com/coinmonks/code-a-simple-p2p-blockchain-in-go-46662601f417

在之前的文章中，我們已經知道了怎麼編寫PoW也知道了IPFS怎麼工作, 但是有一個緻命的缺點，我們的服務都是中心化的，這篇文章會教你怎麼實作一個簡單的完全去中心化的P2P網絡。

背景知識

什麼是P2P網絡

在真正的P2P架構中，不需要中心化的服務來維護區塊鍊的狀态。例如，當你給朋友發送比特币時，比特币區塊鍊的“狀态”應該更新，這樣你朋友的餘額就會增加，你的餘額就會減少。

在這個網絡中，不存在一個權力高度中心化的機構來維護狀态（銀行就是這樣的中心化機構)。對于比特币網絡來說，每個節點都會維護一份完整的區塊鍊狀态，當交易發生時，每個節點的區塊鍊狀态都會得到更新。這樣，隻要網絡中51%的節點對區塊鍊的狀态達成一緻，那麼區塊鍊網絡就是安全可靠的，具體可以閱讀這篇一緻性協定文章。

本文将繼續之前的工作,200行Go代碼實作區塊鍊, 并加入P2P網絡架構。在繼續之前，強烈建議你先閱讀該篇文章，它會幫助你了解接下來的代碼。

開始實作

編寫P2P網絡可不是開開玩笑就能簡單視線的，有很多邊邊角角的情況都要覆寫到，而且需要你擁有很多工程學的知識，這樣的P2P網絡才是可擴充、高可靠的。有句諺語說得好：站在巨人肩膀上做事，那麼我們先看看巨人們提供了哪些工具吧。

喔，看看，我們發現了什麼！一個用Go語言實作的P2P庫go-libp2p！如果你對新技術足夠敏銳，就會發現這個庫的作者和IPFS的作者是同一個團隊。如果你還沒看過我們的IPFS教程，可以看看這裡, 你可以選擇跳過IPFS教程，因為對于本文這不是必須的。

警告

目前來說，

go-libp2p

主要有兩個缺點:

1. 安裝設定比較痛苦，它使用gx作為包管理工具，怎麼說呢，不咋好用，但是湊活用吧

2. 目前項目還沒有成熟，正在緊密鑼鼓的開發中，當使用這個庫時，可能會遇到一些資料競争(data race)

對于第一點，不必擔心，有我們呢。第二點是比較大的問題，但是不會影響我們的代碼。假如你在使用過程中發現了資料競争問題，記得給項目提一個issue，幫助它更好的成長！

總之，目前開源世界中，現代化的P2P庫是非常非常少的，因為我們要多給

go-libp2p

一些耐心和包容，而且就目前來說，它已經能很好的滿足我們的目标了。

安裝設定

最好的環境設定方式是直接clone

libp2p

庫，然後在這個庫的代碼中直接開發。你也可以在自己的庫中，調用這個庫開發，但是這樣就需要用到

gx

了。這裡我們使用簡單的方式，假設你已經安裝了Go:

-

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

- 進入

go-libp2p

檔案夾

-

make

-

make deps

這裡會通過gx包管理工具下載下傳所有需要的包和依賴，再次申明，我們不喜歡gx，因為它打破了Go語言的很多慣例，但是為了這個很棒的庫，認慫吧。

這裡，我們在

examples

子目錄下進行開發，是以在

go-libp2p

的examples下建立一個你自己的目錄

-

mkdir ./examples/p2p

然後進入到p2p檔案夾下，建立

main.go

檔案，後面所有的代碼都會在該檔案中。

你的目錄結構是這樣的：

好了，勇士們，拔出你們的劍，哦不，拔出你們的

main.go

，開始我們的征途吧！

導入相關庫

這裡申明我們需要用的庫，大部分庫是來自于

go-libp2p

本身的，在教程中，你會學到怎麼去使用它們。

package main

import (
    "bufio"
    "context"
    "crypto/rand"
    "crypto/sha256"
    "encoding/hex"
    "encoding/json"
    "flag"
    "fmt"
    "io"
    "log"
    mrand "math/rand"
    "os"
    "strconv"
    "strings"
    "sync"
    "time"

    "github.com/davecgh/go-spew/spew"
    golog "github.com/ipfs/go-log"
    libp2p "github.com/libp2p/go-libp2p"
    crypto "github.com/libp2p/go-libp2p-crypto"
    host "github.com/libp2p/go-libp2p-host"
    net "github.com/libp2p/go-libp2p-net"
    peer "github.com/libp2p/go-libp2p-peer"
    pstore "github.com/libp2p/go-libp2p-peerstore"
    ma "github.com/multiformats/go-multiaddr"
    gologging "github.com/whyrusleeping/go-logging"
)           

spew

包可以很友善、優美的列印出我們的區塊鍊，是以記得安裝它：

-

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

區塊鍊結構

記住，請先閱讀200行Go代碼實作區塊鍊， 這樣，下面的部分就會簡單很多。

先來申明全局變量：

// Block represents each 'item' in the blockchain
type Block struct {
    Index     int
    Timestamp string
    BPM       int
    Hash      string
    PrevHash  string
}

// Blockchain is a series of validated Blocks
var Blockchain []Block

var mutex = &sync.Mutex{}           

• 我們是一家健康看護公司，是以Block中存着的是使用者的脈搏速率BPM
• Blockchain是我們的”狀态”，或者嚴格的說：最新的Blockchain，它其實就是Block的切片（slice)
• mutex是為了防止資源競争出現

下面是Blockchain相關的特定函數：

// make sure block is valid by checking index, and comparing the hash of the previous block
func isBlockValid(newBlock, oldBlock Block) bool {
    if oldBlock.Index+1 != newBlock.Index {
        return false
    }

    if oldBlock.Hash != newBlock.PrevHash {
        return false
    }

    if calculateHash(newBlock) != newBlock.Hash {
        return false
    }

    return true
}

// SHA256 hashing
func calculateHash(block Block) string {
    record := strconv.Itoa(block.Index) + block.Timestamp + strconv.Itoa(block.BPM) + block.PrevHash
    h := sha256.New()
    h.Write([]byte(record))
    hashed := h.Sum(nil)
    return hex.EncodeToString(hashed)
}

// create a new block using previous block's hash
func generateBlock(oldBlock Block, BPM int) Block {

    var newBlock Block

    t := time.Now()

    newBlock.Index = oldBlock.Index + 1
    newBlock.Timestamp = t.String()
    newBlock.BPM = BPM
    newBlock.PrevHash = oldBlock.Hash
    newBlock.Hash = calculateHash(newBlock)

    return newBlock
}           

• isBlockValid

  檢查Block的hash是否合法

• calculateHash

  使用

  sha256

  來對原始資料做hash

• generateBlock

  建立一個新的Block區塊，然後添加到區塊鍊Blockchain上，同時會包含所需的事務

P2P結構

下面我們快接近核心部分了，首先我們要寫出建立主機的邏輯。當一個節點運作我們的程式時，它可以作為一個主機，被其它節點連接配接。下面一起看看代碼:-)

// makeBasicHost creates a LibP2P host with a random peer ID listening on the
// given multiaddress. It will use secio if secio is true.
func makeBasicHost(listenPort int, secio bool, randseed int64) (host.Host, error) {

    // If the seed is zero, use real cryptographic randomness. Otherwise, use a
    // deterministic randomness source to make generated keys stay the same
    // across multiple runs
    var r io.Reader
    if randseed == 0 {
        r = rand.Reader
    } else {
        r = mrand.New(mrand.NewSource(randseed))
    }

    // Generate a key pair for this host. We will use it
    // to obtain a valid host ID.
    priv, _, err := crypto.GenerateKeyPairWithReader(crypto.RSA, 2048, r)
    if err != nil {
        return nil, err
    }

    opts := []libp2p.Option{
        libp2p.ListenAddrStrings(fmt.Sprintf("/ip4/127.0.0.1/tcp/%d", listenPort)),
        libp2p.Identity(priv),
    }

    if !secio {
        opts = append(opts, libp2p.NoEncryption())
    }

    basicHost, err := libp2p.New(context.Background(), opts...)
    if err != nil {
        return nil, err
    }

    // Build host multiaddress
    hostAddr, _ := ma.NewMultiaddr(fmt.Sprintf("/ipfs/%s", basicHost.ID().Pretty()))

    // Now we can build a full multiaddress to reach this host
    // by encapsulating both addresses:
    addr := basicHost.Addrs()[0]
    fullAddr := addr.Encapsulate(hostAddr)
    log.Printf("I am %s\n", fullAddr)
    if secio {
        log.Printf("Now run \"go run main.go -l %d -d %s -secio\" on a different terminal\n", listenPort+1, fullAddr)
    } else {
        log.Printf("Now run \"go run main.go -l %d -d %s\" on a different terminal\n", listenPort+1, fullAddr)
    }

    return basicHost, nil
}           

makeBasicHost

函數有3個參數，同時傳回一個host結構體

-

listenPort

是主機監聽的端口，其它節點會連接配接該端口

-

secio

表明是否開啟資料流的安全選項，最好開啟，是以它代表了”安全輸入／輸出”

-

randSeed

是一個可選的指令行辨別，可以允許我們提供一個随機數種子來為我們的主機生成随機的位址。這裡我們不會使用

函數的第一個

if

語句針對随機種子生成随機key，接着我們生成公鑰和私鑰，這樣能保證主機是安全的。

opts

部分開始建構網絡位址部分，這樣其它節點就可以連接配接進來。

!secio

部分可以繞過加密，但是我們準備使用加密，是以這段代碼不會被觸發。

接着，建立了主機位址，這樣其他節點就可以連接配接進來。

log.Printf

可以用來在控制台列印出其它節點的連接配接資訊。最後我們傳回生成的主機位址給調用方函數。

流處理

之前的主機需要能處理進入的資料流。當另外一個節點連接配接到主機時，它會想要提出一個新的區塊鍊，來覆寫主機上的區塊鍊，是以我們需要邏輯來判定是否要接受新的區塊鍊。

同時，當我們往本地的區塊鍊添加區塊後，也要把相關資訊廣播給其它節點，這裡也需要實作相關邏輯。

先來建立流處理的基本架構吧：

func handleStream(s net.Stream) {

    log.Println("Got a new stream!")

    // Create a buffer stream for non blocking read and write.
    rw := bufio.NewReadWriter(bufio.NewReader(s), bufio.NewWriter(s))

    go readData(rw)
    go writeData(rw)

    // stream 's' will stay open until you close it (or the other side closes it).
}           

這裡建立一個新的

ReadWriter

，為了能支援資料讀取和寫入，同時我們啟動了一個單獨的Go協程來處理相關讀寫邏輯。

讀取資料

首先建立

readData

函數：

func readData(rw *bufio.ReadWriter) {

    for {
        str, err := rw.ReadString('\n')
        if err != nil {
            log.Fatal(err)
        }

        if str == "" {
            return
        }
        if str != "\n" {

            chain := make([]Block, 0)
            if err := json.Unmarshal([]byte(str), &chain); err != nil {
                log.Fatal(err)
            }

            mutex.Lock()
            if len(chain) > len(Blockchain) {
                Blockchain = chain
                bytes, err := json.MarshalIndent(Blockchain, "", "  ")
                if err != nil {

                    log.Fatal(err)
                }
                // Green console color:     \x1b[32m
                // Reset console color:     \x1b[0m
                fmt.Printf("\x1b[32m%s\x1b[0m> ", string(bytes))
            }
            mutex.Unlock()
        }
    }
}           

該函數是一個無限循環，因為它需要永不停歇的去讀取外面進來的資料。首先，我們使用

ReadString

解析從其它節點發送過來的新的區塊鍊（JSON字元串)。

然後檢查進來的區塊鍊的長度是否比我們本地的要長，如果進來的鍊更長，那麼我們就接受新的鍊為最新的網絡狀态（最新的區塊鍊)。

同時，把最新的區塊鍊在控制台使用一種特殊的顔色列印出來，這樣我們就知道有新連結受了。

如果在我們主機的本地添加了新的區塊到區塊鍊上，那就需要把本地最新的區塊鍊廣播給其它相連的節點知道，這樣這些節點機會接受并更新到我們的區塊鍊版本。這裡使用

writeData

函數:

func writeData(rw *bufio.ReadWriter) {

    go func() {
        for {
            time.Sleep(5 * time.Second)
            mutex.Lock()
            bytes, err := json.Marshal(Blockchain)
            if err != nil {
                log.Println(err)
            }
            mutex.Unlock()

            mutex.Lock()
            rw.WriteString(fmt.Sprintf("%s\n", string(bytes)))
            rw.Flush()
            mutex.Unlock()

        }
    }()

    stdReader := bufio.NewReader(os.Stdin)

    for {
        fmt.Print("> ")
        sendData, err := stdReader.ReadString('\n')
        if err != nil {
            log.Fatal(err)
        }

        sendData = strings.Replace(sendData, "\n", "", -1)
        bpm, err := strconv.Atoi(sendData)
        if err != nil {
            log.Fatal(err)
        }
        newBlock := generateBlock(Blockchain[len(Blockchain)-1], bpm)

        if isBlockValid(newBlock, Blockchain[len(Blockchain)-1]) {
            mutex.Lock()
            Blockchain = append(Blockchain, newBlock)
            mutex.Unlock()
        }

        bytes, err := json.Marshal(Blockchain)
        if err != nil {
            log.Println(err)
        }

        spew.Dump(Blockchain)

        mutex.Lock()
        rw.WriteString(fmt.Sprintf("%s\n", string(bytes)))
        rw.Flush()
        mutex.Unlock()
    }

}           

首先是一個單獨協程中的函數，每5秒鐘會将我們的最新的區塊鍊狀态廣播給其它相連的節點。它們收到後，如果發現我們的區塊鍊比它們的要短，就會直接把我們發送的區塊鍊資訊丢棄，繼續使用它們的區塊鍊，反之則使用我們的區塊鍊。總之，無論哪種方法，所有的節點都會定期的同步本地的區塊鍊到最新狀态。

這裡我們需要一個方法來建立一個新的Block區塊，包含之前提到過的脈搏速率（BPM)。為了簡化實作，我們不會真的去通過物聯網裝置讀取脈搏，而是直接在終端控制台上輸入一個脈搏速率數字。

首先要驗證輸入的BPM是一個整數類型，然後使用之前的

generateBlock

來生成區塊，接着使用

spew.Dump

輸入到終端控制台，最後我們使用

rw.WriteString

把最新的區塊鍊廣播給相連的其它節點。

牛逼了我的哥，現在我們完成了區塊鍊相關的函數以及大多數P2P相關的函數。在前面，我們建立了流處理，是以可以讀取和寫入最新的區塊鍊狀态；建立了狀态同步函數，這樣節點之間可以互相同步最新狀态。

剩下的就是實作我們的

main

函數了：

func main() {
    t := time.Now()
    genesisBlock := Block{}
    genesisBlock = Block{0, t.String(), 0, calculateHash(genesisBlock), ""}

    Blockchain = append(Blockchain, genesisBlock)

    // LibP2P code uses golog to log messages. They log with different
    // string IDs (i.e. "swarm"). We can control the verbosity level for
    // all loggers with:
    golog.SetAllLoggers(gologging.INFO) // Change to DEBUG for extra info

    // Parse options from the command line
    listenF := flag.Int("l", 0, "wait for incoming connections")
    target := flag.String("d", "", "target peer to dial")
    secio := flag.Bool("secio", false, "enable secio")
    seed := flag.Int64("seed", 0, "set random seed for id generation")
    flag.Parse()

    if *listenF == 0 {
        log.Fatal("Please provide a port to bind on with -l")
    }

    // Make a host that listens on the given multiaddress
    ha, err := makeBasicHost(*listenF, *secio, *seed)
    if err != nil {
        log.Fatal(err)
    }

    if *target == "" {
        log.Println("listening for connections")
        // Set a stream handler on host A. /p2p/1.0.0 is
        // a user-defined protocol name.
        ha.SetStreamHandler("/p2p/1.0.0", handleStream)

        select {} // hang forever
        /**** This is where the listener code ends ****/
    } else {
        ha.SetStreamHandler("/p2p/1.0.0", handleStream)

        // The following code extracts target's peer ID from the
        // given multiaddress
        ipfsaddr, err := ma.NewMultiaddr(*target)
        if err != nil {
            log.Fatalln(err)
        }

        pid, err := ipfsaddr.ValueForProtocol(ma.P_IPFS)
        if err != nil {
            log.Fatalln(err)
        }

        peerid, err := peer.IDB58Decode(pid)
        if err != nil {
            log.Fatalln(err)
        }

        // Decapsulate the /ipfs/<peerID> part from the target
        // /ip4/<a.b.c.d>/ipfs/<peer> becomes /ip4/<a.b.c.d>
        targetPeerAddr, _ := ma.NewMultiaddr(
            fmt.Sprintf("/ipfs/%s", peer.IDB58Encode(peerid)))
        targetAddr := ipfsaddr.Decapsulate(targetPeerAddr)

        // We have a peer ID and a targetAddr so we add it to the peerstore
        // so LibP2P knows how to contact it
        ha.Peerstore().AddAddr(peerid, targetAddr, pstore.PermanentAddrTTL)

        log.Println("opening stream")
        // make a new stream from host B to host A
        // it should be handled on host A by the handler we set above because
        // we use the same /p2p/1.0.0 protocol
        s, err := ha.NewStream(context.Background(), peerid, "/p2p/1.0.0")
        if err != nil {
            log.Fatalln(err)
        }
        // Create a buffered stream so that read and writes are non blocking.
        rw := bufio.NewReadWriter(bufio.NewReader(s), bufio.NewWriter(s))

        // Create a thread to read and write data.
        go writeData(rw)
        go readData(rw)

        select {} // hang forever

    }
}           

首先是建立一個創世區塊（如果你讀了200行Go代碼實作你的區塊鍊,這裡就不會陌生)。

其次我們使用

go-libp2p

的

SetAllLoggers

日志函數來記錄日志。

接着，設定了所有的指令行辨別：

• secio

  之前有提到，是用來加密資料流的。在我們的程式中，一定要打開該辨別

• target

  指明目前節點要連接配接到的主機位址

• listenF

  是目前節點的監聽主機位址，這樣其它節點就可以連接配接進來，記住，每個節點都有兩個身份：主機和用戶端， 畢竟P2P不是白叫的

• seed

  是随機數種子，用來建立主機位址時使用

然後，使用

makeBasicHost

函數來建立一個新的主機位址，如果我們隻想做主機不想做用戶端（連接配接其它的主機)，就使用

if *target == “”

。

接下來的幾行，會從

target

解析出我們要連接配接到的主機位址。然後把

peerID

和主機目标位址

targetAddr

添加到”store”中，這樣就可以持續跟蹤我們跟其它主機的連接配接資訊，這裡使用的是

ha.Peerstore().AddAddr

函數。

接着我們使用

ha.NewStream

連接配接到想要連接配接的節點上，同時為了能接收和發送最新的區塊鍊資訊，建立了

ReadWriter

，同時使用一個Go協程來進行

readData

和

writeData

。

哇哦

終于完成了，寫文章遠比寫代碼累！我知道之前的内容有點難，但是相比P2P的複雜性來說，你能通過一個庫來完成P2P網絡，已經很牛逼了，是以繼續加油！

完整代碼

mycoralhealth/blockchain-tutorial

運作結果

現在讓我們來試驗一下，首先打開3個獨立的終端視窗做為獨立節點。

開始之前，請再次進入

go-libp2p

的根目錄運作一下

make deps

，確定所有依賴都正常安裝。

回到你的工作目錄

examples/p2p

，打開第一個終端視窗，輸入

go run main.go -l 10000 -secio

細心的讀者會發現有一段話”Now run…”，那還等啥，繼續跟着做吧，打開第二個終端視窗運作：

go run main.go -l 10001 -d <given address in the instructions> -secio

這是你會發現第一個終端視窗檢測到了新連接配接!

接着打開第三個終端視窗，運作：

go run main.go -l 10002 -d <given address in the instructions> -secio

檢查第二終端，又發現了新連接配接

接着，該我們輸入BPM資料了，在第一個終端視窗中輸入”70”，等幾秒中，觀察各個視窗的列印輸出。

來看看發生了什麼：

- 終端1向本地的區塊鍊添加了一個新的區塊Block

- 終端1向終端2廣播該資訊

- 終端2将新的區塊鍊跟本地的對比，發現終端1的更長，是以使用新的區塊鍊替代了本地的區塊鍊，然後将新的區塊鍊廣播給終端3

- 同上，終端3也進行更新

所有的3個終端節點都把區塊鍊更新到了最新版本，同時沒有使用任何外部的中心化服務，這就是P2P網絡的力量！

我們再往終端2的區塊鍊中添加一個區塊試試看，在終端2中輸入”80”

結果忠誠的記錄了我們的正确性，再一次歡呼吧！

下一步

先享受一下自己的工作，你剛用了區區幾百行代碼就實作了一個全功能的P2P網絡！這不是開玩笑，P2P程式設計時非常複雜的，為什麼之前沒有相關的教程，就是因為太難了。

但是，這裡也有幾個可以改進的地方，你可以挑戰一下自己：

• 之前提到過,

  go-libp2p

  是存在資料競争的Bug的，是以如果你要在生産環境使用，需要格外小心。一旦發現Bug，請回報給作者團隊知道
• 嘗試将本文的P2P網絡跟之前的共識協定結合，例如之前的文章PoW 和PoS (PoS是中文譯文)
• 添加持久化存儲。截止目前，為了簡化實作，我們沒有實作持久化存儲，是以節點關閉，資料就丢失了
• 本文的代碼沒有在大量節點的環境下測試過，試着寫一個腳本運作大量節點，看看性能會怎麼變化。如果發現Bug記得給我們[送出]((https://github.com/mycoralhealth/blockchain-tutorial/tree/master/p2p)
• 學習一下節點發現技術。新節點是怎麼發現已經存在的節點的？這篇文章是一個很好的起點

如果我寫的任何文章曾在你的心裡蕩起漣漪，那至少說明在逝去的歲月裡，我們在某一刻，共同經曆着一樣的技術探索之路。

有時候，雖然素未謀面，卻已相識很久，很微妙也很知足。

想學習區塊鍊技術，可以搜尋公衆号優優區塊鍊課堂或者添加公衆微信号uulesson