作者 | 陳浩
出處 | 《深入淺出區塊鏈》專欄
程序員的天賦技能就是通過代碼實踐自己的想法，完成一個作品會有相當的成就感。
今天我們終於也來到了實踐環節。我將以 C++14 的代碼為例，和你分享設計並實現一個迷你區塊鏈的例子。
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 網絡，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：構建一個包含僅有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，它們可以提供下面的功能。
提供 P2P 節點發現和同步區塊的功能；
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提供創建公私鑰對的功能；
提供發送交易的功能；
提供交易查詢的功能；
提供餘額查詢的功能；
提供挖礦的功能，在任意地址上都可以發起單機挖礦；
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，由於我的時間有限，代碼不能全部實現，主要是講解設計和實現思路。後續我會逐漸完善代碼，你也可以一起參與。
代碼開源在：https://github.com/betachen/tinychain
技術選型
我們在深入區塊鏈技術專題中說到過，區塊鏈的四個核心技術概念：P2P 網絡、賬戶模型與存儲、共識、加密模塊。
首先，P2P 網絡模塊是區塊鏈的最底層模塊之一，我們主要考慮方便實現和測試，可選的方案有輕量級消息隊列和 WebSocket。考慮到集成的便利性，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，還要考慮數據交換格式，我們考慮採用易讀通用的 JSON 格式，而不是像比特幣一樣的數據序列化格式，後期更改可以考慮升級到 Protobuf，後者優勢主要體現在性能上。而在我們的例子中，性能永遠不是首先考慮的，更多是它的易讀和易調試性。
其次，我們來說說賬戶加密部分，由於 ECDSA 非對稱加密模塊過於複雜，我們選用 OpenSSL 庫中的 RSA 算法作為加密模塊。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，可能會帶來額外的代碼複雜度。
再來說說數據庫存儲，這個模塊需要考慮到易用性和易讀性，我們選用 SQLite 3 作為持久化存儲。
最後我來談談共識算法這一模塊，我們選用 PoW 作為共識算法，這是考慮到 PoW 實現起來十分簡單，而且交易和區塊的哈希計算會涉及 SHA-256，使用 PoW 算法我們就可以複用 SHA-256 的代碼，使用 SHA-256 算法作為挖礦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。
P2P 網絡：節點發現、節點維護、持久化保存、區塊同步。
公私鑰對：命令行，創建公私鑰對並生成地址，提供私鑰存儲，公私鑰驗證。
發送交易：命令行，發送成功驗證，輸入是交易哈希。
交易查詢：命令行，JSON 格式的交易查詢返回，輸入是某個地址。
餘額查詢：命令行，JSON 格式的餘額查詢返回，輸入是某個地址。
挖礦：命令行、JSON 格式挖礦信息返回，輸入是某個地址。
區塊共識：編織區塊鏈的算法，包含創世區塊以及調整全網挖礦難度。
交易共識：驗證單個交易的算法，包含簽名驗證和 UTXO 驗證。
基礎日誌：用於監控網絡，區塊驗證等操作。
區塊持久化存儲：分叉與合併時的一致性，併為查詢提供接口。
提供格式化輸出交易的功能，這裡的格式化主要指 JSON 格式。
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，而是有相互聯繫的，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序，我們命名為 Tinychain，而對應的命令行客戶端為 cli-tinychain。
Tinychain 的核心程序主要包含以下結構：
<code>tinychain ├── blockchain ├── consensus ├── database ├── network ├── http-server └── node/<code>
我們以 node 為最頂層，那麼 node 會包含其他五個模塊，node 啟動就會把其他 5 個服務啟動。
cli-tinychain 主要包含以下結構：
<code> cli-tinychain ├── JSON └── http-client/<code>
命令行就簡單多了，我們把命令行的執行和計算全部都扔到 tinychian 當中，命令行只用一個 http-client 用 JSON 把 API 包起來即可。
通過分析我們知道，以下組件是必不可少的，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集成即可。
<code>基礎組件 ├── log ├── JSON-paser ├── sha256 └── key-pair/<code>
區塊數據結構設計
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塊填充一些數據結構。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數據，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哈希、默克爾根哈希、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。
<code> { "target_bits" : "4575460831240", "hash" : "4a9169e2f4f8673ac9627be0fa0f9e15a9e3b1bc5cd697d96954d25acacd92df", "merkle_tree_hash" : "3d228afc50bc52491f5dd8aa8c416da0d9a16bf829790ea0b7635e5b4d44ab4f", "nonce" : "3852714822920177480", "height" : 1234567, "previous_block_hash" : "4d2544e044bfd2f342220a711b10842bb6cfae551b1bc1ed6152ff5c7f3ff654", "time_stamp" : 1528070857, "transaction_count" : 1, "version" : 1 }/<code>target_bits 表示當前區塊的目標值；
hash 表示這個區塊的哈希；
merkle_tree_hash 表示這個區塊當中交易列表的默克爾根；
nonce 表示隨機數；
height 表示當前區塊的高度；
previous_block_hash 指向前向區塊哈希；
time_stamp 表示生產這個區塊時的時間戳；
transaction_count 表示這個區塊當中包含多少筆交易；
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字節印第安序的問題了，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。
<code>{ "hash": "8c14f0db3df150123e6f3dbbf30f8b955a8249b62ac1d1ff16284aefa3d06d87", "version": 1, "input_size": 1, "output_size": 1, "size": 135, "inputs": [{ "prev_out": { "hash": "0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000", "index":0 iq }, }], "out": [{ "value": "5000000000", "address": "f3e6066078e815bb2" }], }/<code>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，不再將公鑰進行哈希轉換。
內存池
內存池是指緩存交易的一塊交易緩衝區，這裡一個節點的主要處理對象，所以對內存池的管理，是編織區塊鏈的最重要一步。我們這裡的內存池使用標準庫 STL 中的容器。
哈希計算
區塊和交易的哈希計算均使用 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，默認的 gcc 編譯器是 gcc-5.4，是支持 C++14 標準的。代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 庫的支持，例如 Filesystem 和 Datetime 等基礎組件。
所以我們的工具鏈是：
gcc 或 clang
cmake
boost 1.56+ (datetime)
最後我們還需要一個簡單好用的輕量級 Httpserver，我選取了元界代碼中的 Mongoose 庫，這裡的 Mongoose 不是 MongoDB，是由 Cesanta 開源的一個 HTTP Server 庫，支持 epoll 和 select 兩種網絡併發機制，也支持 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進程中模擬區塊鏈的數據結構，並不是真正意義上的分佈式節點，所以我採取了使用 C++ 實現的策略。
測試環境搭建
我們知道區塊鏈是一個分佈式網絡環境，在開始之前，我們需要構造一個簡單且容易測試的分佈式網絡環境。
我們不可能購買大量的雲計算資源，所以我們推薦你購買一個基礎版的 ECS 節點，2Core 4G 就可以，性能稍好更好，接著我們選用 Docker 來搭建容器集群，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。
文章出自極客時間專欄《深入淺出區塊鏈》，訂閱專欄可享代碼。
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