探长三生的区块链探险日记 🕵️‍♂️🔗

Ahoy, 区块链探险家们！🏴‍☠️ 我是探长三生，带着一颗对未知的好奇心，我将带领大家一起探索区块链的神秘世界！

🚀 程序员的超能力

程序员的天赋技能就是通过代码实践自己的想法，完成一个作品会有相当的成就感。

今天，我们要一起踏上实践之旅。我将以 C++14 的代码为例，和你分享设计并实现一个迷你区块链的例子。

🎯 目标和范围

首先我们要知道达成的目标，根据目标划定工作范围。

考虑到我们无法搭建一个类似比特币的庞大 P2P 网络，也没有太多精力实现一个真正意义上的完整功能的全节点钱包，而且完整的全节点过于复杂，会让学习者迷失在细节中。

所以我们的目标是：构建一个包含仅有基础功能的全节点客户端，它可能没有太炫酷的 UI 页面，也没有复杂的命令，它们可以提供下面的功能。

注意：由于我的时间有限，代码不能全部实现，主要是讲解设计和实现思路。后续我会逐渐完善代码，你也可以一起参与。

🛠 技术选型

我们在深入区块链技术专题中说到过，区块链的四个核心技术概念：P2P 网络、账户模型与存储、共识、加密模块。

P2P 网络模块

• 考虑方便实现和测试，可选的方案有轻量级消息队列和 WebSocket。
• 考虑到集成的便利性，我们首选 WebSocket，因为至少需要一个 HTTP JSON-RPC Server，我们可以复用 Server 中的 Websocket 服务。

数据交换格式

• 我们考虑采用易读通用的 JSON 格式，而不是像比特币一样的数据序列化格式。
• 后期更改可以考虑升级到 Protobuf，后者优势主要体现在性能上。而在我们的例子中，性能永远不是首先考虑的，更多是它的易读和易调试性。

账户加密部分

• 由于 ECDSA 非对称加密模块过于复杂，我们选用 OpenSSL 库中的 RSA 算法作为加密模块。
• 交易模型上，我们考虑使用 UTXO 模型，因为状态模型需要维护状态，可能会带来额外的代码复杂度。

数据库存储

• 这个模块需要考虑到易用性和易读性，我们选用 SQLite 3 作为持久化存储。

共识算法

• 我们选用 PoW 作为共识算法，这是考虑到 PoW 实现起来十分简单，而且交易和区块的哈希计算会涉及 SHA-256，使用 PoW 算法我们就可以复用 SHA-256 的代码，使用 SHA-256 算法作为挖矿算法会降低我们的工作量。

📝 详细功能

有了技术选型之后，我们再对目标功能点进行细分拆解。

• P2P 网络：节点发现、节点维护、持久化保存、区块同步。
• 公私钥对：命令行，创建公私钥对并生成地址，提供私钥存储，公私钥验证。
• 交易查询：命令行，JSON 格式的交易查询返回，输入是某个地址。
• 余额查询：命令行，JSON 格式的余额查询返回，输入是某个地址。
• 挖矿：命令行、JSON 格式挖矿信息返回，输入是某个地址。
• 区块共识：编织区块链的算法，包含创世区块以及调整全网挖矿难度。
• 交易共识：验证单个交易的算法，包含签名验证和 UTXO 验证。
• 区块持久化存储：分叉与合并时的一致性，并为查询提供接口。
• 提供格式化输出交易的功能，这里的格式化主要指 JSON 格式。

通过详细的功能拆分我们可以发现，功能点多达三十余个，如何设计实现这三十多个功能点是我们接下来首先要解决的问题。问题是这三十多个功能点不是孤立的，而是有相互联系的，我们先从顶层开始设计。

🏗️ 架构设计

Tinychain

• tinychain
  • blockchain
  • consensus
  • database
  • network
  • http-server
  • node

我们以 node 为最顶层，那么 node 会包含其他五个模块，node 启动就会把其他 5 个服务启动。

cli-tinychain

• cli-tinychain
  • JSON
  • http-client

命令行就简单多了，我们把命令行的执行和计算全部都扔到 tinychian 当中，命令行只用一个 http-client 用 JSON 把 API 包起来即可。

📦 基础组件

• 基础组件
  • log
  • JSON-paser
  • sha256
  • key-pair

📜 区块数据结构设计

有了大致的顶层设计已经分类好，那么接下来我们考虑为每个模块填充一些数据结构。一个区块链最重要的是区块，所以我们从区块开始。

🧱 区块头的设计

参考比特币的设计，区块头包含了前向区块哈希、默克尔根哈希、时间戳、难度目标、Nonce 值和版本号。下面是一个可能的结构示例：

{
  "target_bits": "45754******1240",
  "hash": "239169e8**************9e3b1bc5cd697d96954d25acacd92df",
  "merkle_tree_hash": "3d228afc58*****************790ea0b7635e5b4d44ab4f",
  "nonce": "385**********0177480",
  "height": 1234567,
  "previous_block_hash": "4d2544e044bfd2f34***************5c7f3ff654",
  "time_stamp": 1528070857,
  "transaction_count": 1,
  "version": 1
}

• target_bits: 当前区块的目标值；
• hash: 这个区块的哈希；
• merkle_tree_hash: 这个区块当中交易列表的默克尔根；
• nonce: 随机数；
• height: 当前区块的高度；
• previous_block_hash: 指向前向区块哈希；
• time_stamp: 生产这个区块时的时间戳；
• transaction_count: 这个区块当中包含的交易数量；
• version: 区块的版本号。

🛠️ 开发环境搭建

由于选取了 C++ 作为实现方式，搭建工程的过程会比较复杂一点。我们用的是 Ubuntu 16.04 开发环境，默认的 gcc 编译器是 gcc-5.4，是支持 C++14 标准的。代码也是全平台可移植的，如果你使用 Mac，也可以尝试搭建。

🧪 测试环境搭建

我们知道区块链是一个分布式网络环境，在开始之前，我们需要构造一个简单且容易测试的分布式网络环境。

🎉 总结

今天我大致介绍了实践一个迷你区块链的思路，我们先划定了实践的范围，接着考虑了技术选型，然后细化了详细功能，考虑了一个区块链需要的数据结构，最后考虑了开发环境和测试环境的搭建。

🤔 今天的问题是，你觉得搭建一个迷你区块链最难的部分是哪一部分呢？