區塊鏈系列教程——建立屬於自己的區塊鏈

區塊鏈開發 · 發表 2019-05-01 22:23:59

摘要：區塊鏈系列教程以以太坊區塊鏈為基礎，主要包括若干以太坊區塊鏈的建立使用等，還包括部分原理說明，後期還會加入對其的改進。本文是區塊鏈系列教程的第一章，主要內容是使用以太坊區塊鏈建立私鏈，並使用控制檯進行一些基本操作。 1. 區塊鏈簡介在正文之前，先簡單介紹一下區塊鏈的基本概念。 ...

區塊鏈系列教程以以太坊區塊鏈為基礎，主要包括若干以太坊區塊鏈的建立使用等，還包括部分原理說明，後期還會加入對其的改進。

本文是區塊鏈系列教程的第一章，主要內容是使用以太坊區塊鏈建立私鏈，並使用控制檯進行一些基本操作。

1. 區塊鏈簡介

在正文之前，先簡單介紹一下區塊鏈的基本概念。

區塊鏈，顧名思義，其儲存形式是若干個區塊組成，區塊之間通過某種方式聯絡在一起。如圖所示：

區塊鏈示意圖

實際上，除了區塊（區塊頭）結構，區塊鏈可以抽象出更多的技術，比如共識機制、密碼學機制、P2P網路、Hash樹、智慧合約等，這些可以統稱為區塊鏈技術，後續教程會涉及到其中部分的原理。

以太坊區塊鏈的區塊結構較為複雜，遠遠不止示意圖中的結構，有興趣的讀者可以去其 github

上檢視詳細原始碼，這是go語言實現版本，也是官方主推的版本。此處大概說明以太坊區塊鏈的區塊結構，以太坊的區塊結構主要定義在go-ethereum/core/types/block.go檔案中，其區塊結構為：

type Block struct {
header*Header
uncles[]*Header
transactions Transactions
// caches
hash atomic.Value
size atomic.Value
// Td is used by package core to store the total difficulty
// of the chain up to and including the block.
td *big.Int
// These fields are used by package eth to track
// inter-peer block relay.
ReceivedAttime.Time
ReceivedFrom interface{}
}

區塊結構中，header表示區塊頭，是非常重要的引數，其具體結構後面會說明；uncles表示該區塊的叔塊，也就是父區塊的兄弟區塊（因為以太坊的區塊發行時間只有10秒左右，所以礦工之間會存在競爭，兩個同時發行的區塊將成為兄弟區塊）；transactions表示區塊中裝載的交易資訊，這也是一個非常重要的引數，在區塊鏈中交易是最為重要的功能。

以太坊區塊頭格式為：

type Header struct {
ParentHashcommon.Hash`json:"parentHash"gencodec:"required"`
UncleHashcommon.Hash`json:"sha3Uncles"gencodec:"required"`
Coinbasecommon.Address `json:"miner"gencodec:"required"`
Rootcommon.Hash`json:"stateRoot"gencodec:"required"`
TxHashcommon.Hash`json:"transactionsRoot" gencodec:"required"`
ReceiptHash common.Hash`json:"receiptsRoot"gencodec:"required"`
BloomBloom`json:"logsBloom"gencodec:"required"`
Difficulty*big.Int`json:"difficulty"gencodec:"required"`
Number*big.Int`json:"number"gencodec:"required"`
GasLimituint64`json:"gasLimit"gencodec:"required"`
GasUseduint64`json:"gasUsed"gencodec:"required"`
Timeuint64`json:"timestamp"gencodec:"required"`
Extra[]byte`json:"extraData"gencodec:"required"`
MixDigestcommon.Hash`json:"mixHash"`
NonceBlockNonce`json:"nonce"`
}

ParentHash表示父區塊的Hash值，該值實際上就是所謂的鏈，用於實現區塊鏈資料不可逆的特性。
UncleHash是區塊結構中uncles經過hash運算得到的結果，用於驗證區塊資料的正確性。
Coinbase用於記錄該區塊的發行者，其可獲得區塊獎勵和礦工費獎勵。
Root用於驗證當前區塊鏈的狀態，其中狀態使用MPT（Merkle-Patricia-Tree）結構儲存。
TxHash用於驗證當前區塊的交易資訊，所有交易使用
MPT結構組織儲存。
ReceiptHash用於驗證當前區塊的交易收據資訊，對於一個交易執行完成後會有相應的收據，其組織形式也是MPT。
Bloom是當前區塊交易執行日誌的布隆過濾器，用於快速確定某交易是否存在。
Difficulty是當前區塊鏈POW的難度值，這與共識機制有關，後文會詳細介紹。
Number是當前區塊高度，即區塊id，創世區塊為0，逐一遞增。
GasLimit是當前區塊大小，以太坊使用gas機制來控制區塊大小，每個交易（包括轉賬交易和智慧合約交易）都會消耗相應的gas，特別是智慧合約交易，消耗的gas大小與其執行步驟和儲存消耗有關，因為以太坊是圖靈完備的，所以需要此措施來防止出現死迴圈。
GasUsed是當前區塊所消耗的總的gas大小。
Time是區塊打包時間。
Extra是額外附加資訊。
MixDigest和Nonce是POW共識機制的結果證明。

2. 開始實踐

本文主要使用以太坊geth客戶端來建立私鏈，並基於console進行部分簡單操作，讓讀者可以對區塊鏈有一個大概的直觀的感覺。

1.1 安裝geth客戶端

方法1

可以直接去官網下載對應作業系統的客戶端。

方法2

Ubuntu的讀者可以通過命令來安裝：

sudo add-apt-repository -y ppa:ethereum/ethereum
sudo apt-get update
sudo apt-get install ethereum

macOS的讀者可以通過brew進行安裝：

brew tap ethereum/ethereum
brew install ethereum

1.2 創世塊檔案

在建立私鏈時，由於我們是從創世塊開始，其他區塊的內容和創世塊會有很大的關係，而創世塊是需要我們來設定其中的欄位資訊的。此處，設定genesis.json檔案：

{
"config": {
"chainId": 10,
"homesteadBlock": 0,
"eip155Block": 0,
"eip158Block": 0
},
"alloc": {},
"coinbase": "0x0000000000000000000000000000000000000000",
"difficulty" : "0x2000000",
"extraData": "",
"gasLimit": "0x33450",
"nonce": "0x0000000000000042",
"mixhash": "0x0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000",
"parentHash" : "0x0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000",
"timestamp": "0x00"
 17 }

1.3 建立資料資料夾

使用命令建立資料資料夾test：

建立資料資料夾

1.4 初始化區塊鏈

使用命令初始化區塊鏈：

geth --datadir test/ init genesis.json

得到結果：

INFO [05-01|21:27:32.575] Maximum peer countETH=25 LES=0 total=25
INFO [05-01|21:27:32.576] Allocated cache and file handlesdatabase=/home/hadoop/blockchain/test/geth/chaindata cache=16 handles=16
INFO [05-01|21:27:32.581] Writing custom genesis block 
INFO [05-01|21:27:32.581] Persisted trie from memory databasenodes=0 size=0.00B time=3.104µs gcnodes=0 gcsize=0.00B gctime=0s livenodes=1 livesize=0.00B
INFO [05-01|21:27:32.581] Successfully wrote genesis statedatabase=chaindatahash=b123b8…4077eb
INFO [05-01|21:27:32.581] Allocated cache and file handlesdatabase=/home/hadoop/blockchain/test/geth/lightchaindata cache=16 handles=16
INFO [05-01|21:27:32.584] Writing custom genesis block 
INFO [05-01|21:27:32.584] Persisted trie from memory databasenodes=0 size=0.00B time=2.105µs gcnodes=0 gcsize=0.00B gctime=0s livenodes=1 livesize=0.00B
INFO [05-01|21:27:32.585] Successfully wrote genesis statedatabase=lightchaindatahash=b123b8…4077eb

1.5 建立區塊鏈私鏈

使用命令建立區塊鏈私鏈：

geth --datadir test/ --networkid 10 console

得到結果：

INFO [05-01|21:29:06.015] Maximum peer countETH=25 LES=0 total=25
INFO [05-01|21:29:06.016] Starting peer-to-peer nodeinstance=Geth/v1.8.17-stable-8bbe7207/linux-amd64/go1.10
INFO [05-01|21:29:06.016] Allocated cache and file handlesdatabase=/home/hadoop/blockchain/test/geth/chaindata cache=768 handles=512
INFO [05-01|21:29:06.024] Initialised chain configurationconfig="{ChainID: 10 Homestead: 0 DAO: <nil> DAOSupport: false EIP150: <nil> EIP155: 0 EIP158: 0 Byzantium: <nil> Constantinople: <nil> Engine: unknown}"
INFO [05-01|21:29:06.024] Disk storage enabled for ethash cachesdir=/home/hadoop/blockchain/test/geth/ethash count=3
INFO [05-01|21:29:06.024] Disk storage enabled for ethash DAGsdir=/home/hadoop/.ethashcount=2
INFO [05-01|21:29:06.024] Initialising Ethereum protocolversions="[63 62]" network=10
INFO [05-01|21:29:06.025] Loaded most recent local headernumber=0 hash=b123b8…4077eb td=33554432 age=50y2w3d
INFO [05-01|21:29:06.025] Loaded most recent local full blocknumber=0 hash=b123b8…4077eb td=33554432 age=50y2w3d
INFO [05-01|21:29:06.025] Loaded most recent local fast blocknumber=0 hash=b123b8…4077eb td=33554432 age=50y2w3d
INFO [05-01|21:29:06.025] Regenerated local transaction journaltransactions=0 accounts=0
INFO [05-01|21:29:06.025] Starting P2P networking 
INFO [05-01|21:29:08.150] UDP listener upself=enode://21d2a8209dc9aeadd15d94c2df30128dd7bd4b772f34e61e8f76afb893a2f7735a77c9061b64076ca61b5635b5d434fa32600af0e56f833fd7e582bff94e679d@222.201.145.179:30303
INFO [05-01|21:29:08.151] RLPx listener upself=enode://21d2a8209dc9aeadd15d94c2df30128dd7bd4b772f34e61e8f76afb893a2f7735a77c9061b64076ca61b5635b5d434fa32600af0e56f833fd7e582bff94e679d@222.201.145.179:30303
INFO [05-01|21:29:08.155] IPC endpoint openedurl=/home/hadoop/blockchain/test/geth.ipc
INFO [05-01|21:29:08.169] Mapped network portproto=udp extport=30303 intport=30303 interface="UPNP IGDv1-IP1"
INFO [05-01|21:29:08.189] Mapped network portproto=tcp extport=30303 intport=30303 interface="UPNP IGDv1-IP1"
Welcome to the Geth JavaScript console!

instance: Geth/v1.8.17-stable-8bbe7207/linux-amd64/go1.10
 modules: admin:1.0 debug:1.0 eth:1.0 ethash:1.0 miner:1.0 net:1.0 personal:1.0 rpc:1.0 txpool:1.0 web3:1.0

>

1.6 使用區塊鏈

完成步驟1.5後，區塊鏈已經可以使用，1.5中的console命令是指開啟控制檯用於與區塊鏈進行互動——具體的geth命令後面教程將會詳細說明。此處，我們可以控制當前區塊鏈節點做一些操作了。

建立一個賬戶

> personal.newAccount()
Passphrase: 
Repeat passphrase: 
"0x6393bb737b95465ccd9e4597df0647cdcd09775f"

挖礦

> miner.start()
INFO [05-01|21:34:33.568] Updated mining threadsthreads=8
INFO [05-01|21:34:33.568] Transaction pool price threshold updated price=1000000000
INFO [05-01|21:34:33.568] Etherbase automatically configuredaddress=0x6393Bb737b95465cCD9E4597dF0647CdcD09775f
null
> INFO [05-01|21:34:33.569] Commit new mining worknumber=1 sealhash=0fcb98…71f1eb uncles=0 txs=0 gas=0 fees=0 elapsed=299.471µs

檢視餘額

> eth.getBalance(eth.coinbase)
5000000000000000000

解鎖賬戶

> personal.unlockAccount(eth.coinbase)
Unlock account 0x6393bb737b95465ccd9e4597df0647cdcd09775f
Passphrase: 
true

轉賬

需要注意的是，轉賬操作前需要將賬戶解鎖，在轉賬操作發起成功後，需要等待一段時間，礦工將該轉賬交易打包進入新的發行區塊後才會生效。

> eth.sendTransaction({from:eth.coinbase, to:personal.listAccounts[1], value:100})
INFO [05-01|21:37:28.223] Setting new local accountaddress=0x6393Bb737b95465cCD9E4597dF0647CdcD09775f
INFO [05-01|21:37:28.223] Submitted transactionfullhash=0xc2479ec79713c9a7bd638146fabf5175eeaad8df87939af83be91ce4218a7c6c recipient=0x5eDcF2B2eFa9500C9F056f58E9C032B375b877E0
"0xc2479ec79713c9a7bd638146fabf5175eeaad8df87939af83be91ce4218a7c6c"
> INFO [05-01|21:37:29.194] Commit new mining worknumber=6 sealhash=47fb15…84b362 uncles=0 txs=1 gas=21000 fees=2.1e-05 elapsed=601.799µs

隨後，檢查兩者的餘額，發現已經轉賬成功：

> eth.getBalance(eth.coinbase)
29999999999999999900
> eth.getBalance(personal.listAccounts[1])
100

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