教你用C++搭建一條迷你區塊鏈！速來圍觀！
程式設計師的天賦技能就是通過程式碼實踐自己的想法，完成一個作品會有相當的成就感，所以今天我們以 C++14 的程式碼為例子，和你分享設計並實現一個迷你區塊鏈例子。
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目標和範圍
首先我們要知道達成的目標，根據目標劃定工作範圍。
考慮到我們無法搭建一個類似比特幣的龐大 P2P 網路，也沒有太多精力實現一個真正意義上的完整功能的全節點錢包，而且完整的全節點過於複雜，會讓學習者迷失在細節中。
所以我們的目標是： 構建一個包含僅基礎功能的全節點客戶端 ，它可能沒有太炫酷的 UI 頁面，也沒有複雜的命令，僅一個命令列工具和一個全節點核心程式，它們提供下面的功能。
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提供 P2P 節點發現和同步區塊的功能；
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提供建立公私鑰對的功能；
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提供傳送交易的功能；
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提供交易查詢的功能；
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提供餘額查詢的功能；
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提供挖礦的功能，在任意地址商都可以發起單機挖礦；
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提供基礎日誌，方便跟蹤監視。
以上 7 個功能基本涵蓋了一個區塊鏈全節點的主要功能，但是，由於篇幅有限，程式碼不能全部實現，主要講解設計和實現思路。後續我會逐漸完善程式碼，你也可以一起參與，程式碼開源在： https://github.com/betachen/tinychain
技術選型
首先，P2P 網路模組是區塊鏈的最底層模組之一，我們主要考慮方便實現和測試，可選的方案有輕量級訊息佇列和 WebSocket。考慮到整合的便利性，我們首選 WebSocket，因為至少需要一個 HTTP JSON-RPC Server，我們可以複用 Server 中的 Websocket 服務。
除了通訊協議之外，還要考慮資料交換格式，我們考慮採用易讀通用的 JSON 格式，而不是像比特幣一樣的資料序列化格式，後期更改可以考慮升級到 Protobuf，後者優勢主要體現在效能上。而在我們的例子中，效能永遠不是首先考慮的，更多是它的易讀和易除錯性。
其次，我們來說說賬戶加密部分，由於 ECDSA 非對稱加密模組過於複雜，我們選用 OpenSSL 庫中的 RSA 演算法作為加密模組。而交易模型上，我們考慮使用 UTXO 模型，因為狀態模型需要維護狀態，可能會帶來額外的程式碼複雜度。
再來說說資料庫儲存，這個模組需要考慮到易用性和易讀性，我們選用 SQLite 3 作為持久化儲存。
最後來談談共識演算法這一模組，我們選用 PoW 作為共識演算法，考慮到 PoW 最為簡單實現，而且交易和區塊的雜湊計算會涉及到 SHA-256，使用 PoW 演算法我們就可以複用 SHA-256 的程式碼，所以使用 SHA-256 演算法作為挖礦演算法會降低我們的工作量。
詳細功能
有了技術選型之後，我們再對目標功能點進行細分拆解。
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P2P 網路：節點發現、節點維護、持久化儲存、區塊同步。
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公私鑰對：命令列、建立公私鑰對、並生成地址、提供私鑰儲存、公私鑰驗證。
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傳送交易：命令列、傳送成功驗證、輸入是交易雜湊。
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交易查詢：命令列、JSON 格式的交易查詢返回、輸入是某個地址。
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餘額查詢：命令列、JSON 格式的餘額查詢返回、輸入是某個地址。
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挖礦：命令列、JSON 格式挖礦資訊返回、輸入是某個地址。
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區塊共識：編織區塊鏈的演算法，包含創世區塊以及調整全網挖礦難度。
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交易共識：驗證單個交易的演算法，包含簽名驗證和 UTXO 驗證。
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基礎日誌：用於監控網路、區塊驗證等操作。
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區塊持久化儲存：分叉與合併時的一致性，併為查詢提供介面。
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提供格式化輸出交易的功能，這裡的格式化主要指 JSON 格式。
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有效防止雙花交易。
通過詳細的功能拆分我們可以發現，功能點多達三十餘個，如何設計實現這三十多個功能點是我們接下來首先要解決的問題。問題是這三十多個功能點不是孤立的，而是有相互聯絡的，我們先從頂層開始設計。
最頂層是一個區塊節點，一個完整的可執行程式，我們命名為 tinychain，而對應的命令列客戶端為 cli-tinychain。
Tinychain 的核心程式主要包含以下結構：
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我們以 node 為最頂層，那麼 node 會包含其他五個模組，node 啟動就會把其他 5 個服務啟動。
cli-tinychain 主要包含以下結構：
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命令列就簡單多了，我們把命令列的執行和計算全部都扔到 tinychian 當中，命令列只用一個 http-client 用 JSON 把 API 包起來即可。
通過分析我們知道，以下元件是必不可少的，但是我們不必自己開發，可以直接選取一些現成的開發包直接整合即可。
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區塊資料結構設計
有了大致的頂層設計已經分類好，那麼接下來我們考慮為每個模組填充一些資料結構。一個區塊鏈最重要的是區塊，所以我們從區塊開始。
一個區塊包含兩部分，分別是區塊頭和區塊體，區塊頭是一個區塊的元資料，區塊體就是包含交易的列表，所以我們直接設計交易體。
區塊頭的設計
我們參照比特幣的設計，區塊頭包含了前向區塊雜湊、默克爾根雜湊、時間戳、難度目標、Nonce 值和版本號。
所以我們的結構可能是這樣的：
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target_bits 表示當前區塊的目標值；
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hash 表示這個區塊的雜湊；
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merkle_tree_hash 表示這個區塊當中交易列表的默克爾根；
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nonce 表示隨機數；
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height 表示當前區塊的高度；
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previous_block_hash 指向前向區塊雜湊；
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time_stamp 表示生產這個區塊時的時間戳；
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transaction_count 表示這個區塊當中包含多少筆交易；
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version 表示區塊的版本號，不代表交易的版本號。
在這裡，我們的區塊頭大小不是固定的，因為它沒有經過序列化，完全以 JSON 表示，所以我們這裡就不考慮位元組印第安序的問題了，也不考慮固定長度的問題。
有了區塊頭，我們再看看交易體的設計，由於使用 utxo 作為交易模型，那麼我們先考慮一個輸入一個輸出的結構。
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我們可以按照這種結構來設計交易體。
地址設計
區塊鏈地址都有通常意義上的地址，我們這裡將公鑰直接算作地址，不再將公鑰進行雜湊轉換。
記憶體池
記憶體池是指快取交易的一塊交易緩衝區，這裡一個節點的主要處理物件，所以對記憶體池的管理，是編織區塊鏈的最重要一步。我們這裡的記憶體池使用標準庫 STL 中的容器。
雜湊計算
區塊和交易的雜湊計算均使用 SHA-256。
開發環境搭建
由於選取了 C++ 作為實現方式，搭建工程的過程會比較複雜一點。我們用的是 Ubuntu 16.04 開發環境，預設的 gcc 編譯器是 gcc-5.4，是支援 C++14 標準的。程式碼也是全平臺可移植的，如果你使用 Mac，也可以嘗試搭建。
除了 gcc 之外，我們還需要 Cmake 來構建工程。我們也許需要 Boost 庫的支援，例如 Filesystem 和 Datetime 等基礎元件。
所以我們的工具鏈是：
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gcc 或 clang
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cmake
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boost 1.56+ (datetime)
最後我們還需要一個簡單好用的輕量級 Httpserver，我選取了元界程式碼中的 Mongoose 庫，這裡的 Mongoose 不是 MongoDB，是由 Cesanta 開源的一個 HTTP Server 庫，支援 epoll 和 select 兩種網路併發機制，也支援 WebSocket。
當然除了 C++ 實現之外，我們也可以使用 Python 來實現，實際上也有不少 Python 實現的 Demo，但我發現用 Python 實現的例子很多是在單程序中模擬區塊鏈的資料結構，並不是真正意義上的分散式節點，所以我採取了自己使用 C++ 實現的策略。
測試環境搭建
我們知道區塊鏈是一個分散式網路環境，在開始之前，我們需要構造一個簡單且容易測試的分散式網路環境。
我們不可能購買大量的雲端計算資源，所以我們推薦你購買一個基礎版的 ECS 節點，2Core 4G 就可以，效能稍好更好，接著我們選用 Docker 來搭建容器叢集，在容器中部署節點，其中宿主機作為編譯環境，將編譯完成的錢包部署到全部的 Docker 容器中。
總結
今天大致介紹了實踐一個迷你區塊鏈的思路，我們先劃定了實踐的範圍，接著考慮了技術選型，然後細化了詳細功能，考慮了一個區塊鏈需要的資料結構，最後考慮了開發環境和測試環境的搭建。