区块链

立方金POW区块链公链开发文档

Posted by 姚飞亮 on 2020-07-07

立方金POW区块链公链开发文档

​ 本程序区块链公链,主要应用到了密码学,共识算法,对等网络,区块链防篡改结构等相关知识,并把各个知识点结合到一起,编写成了完善的可运行公链。

程序特点：

  • 基于工作量证明共识算法，数据以区块链的结构进行存储

  • 去中心化，运用P2P技术使各个节点之间相对独立

  • 主动寻找网络中的对等节点，自动连接并存入节点池

  • 节点退出时会向全网广播，其余节点动态更新当前可连接节点池

  • 挖矿成功节点获得记账权，并向全网广播同步最新区块，其余节点验证通过后存入本地区块链中

  • 交易转帐使用UTXO交易模型,支持一次交易存在多笔转账

  • 支持中文助记词导入，由助记词生成公私钥密钥对（使用的椭圆曲线算法）

  • 交易转账使用私钥进行数字签名，公钥验证,并因为UTXO的结构避免了对于签名的重放攻击问题

  • 为未花费UTXO单独建立数据表，优化转账交易速度

  • 使用默克尔树生成交易的根hash

  • 持久化区块链与公私钥信息，存入节点本地数据库中（每个节点拥有自己的独立数据库）

  • 自定义挖矿难度值、旷工挖矿奖励值

  • 自定义交易池大小，满足指定笔数的交易后才会开始挖矿

主要模块：

  • 命令调度模块

  • UTXO交易生成模块

  • 密码学加解密模块

  • 区块生成、验证模块

  • 数据持久化模块

  • P2P网络通讯模块

  • 日志输出模块

命令调度模块

    启动程序后，控制台捕捉用户输入信息，通过对用户的输入解析出命令以及跟随在命令后的值。根据不同命令对程序进行相关操作

UTXO交易生成模块

   交易转账模块基于UTXO模型，但并没有引入比特币脚本，脚本处直接使用数字签名的字节数组进行替代。当用户A转账给用户B时，需要用户A使用私钥对”输入“ (包含了用户A所拥有的”输出“交易hash、索引等信息）进行数字签名，生成交易后发送给其他节点，其他节点则使用用户A的公钥对其进行签名验证。

   由于UTXO的特殊结构，天然的避免了重放攻击，并不需要像以太坊账户系统一样添加nonce值，但是为了避免UTXO的重复计算问题，在上一笔转账未打包进区块之前暂不支持同一地址的再次转账

   支持一笔交易多笔转账，并为了优化转账查询速度创建了UTXO数据表专门用于存储所有区块链中未花费的输出。

密码学加解密模块

  1. 单向散列函数：sha256 ripemd-160

​ 主要用于将整体区块通过计算转换为固定长度的字符串,方便进行数据校验

  1. 编解码算法：base58

​ 由于私钥原始长度过长不利于记忆，使用base58编码对私钥、地址进行可视化编码

  1. 非对称加密：椭圆曲线算法（crypto/elliptic p256）

​ 通过助记词文本提取7对中文词语作为种子，通过使用椭圆曲线算法生成公私钥密钥对，私钥用于对交易数据进行数字签名，公钥对签名进行验证来确保发起人身份。

​ 公钥通过一系列运算生成地址，地址用于查询余额，以及接收转账Token

   地址生成规则如下：

  • 通过椭圆曲线算法生成公钥

  • 对公钥进行sha256散列和ripemd160散列,获得publickeyHash

  • 在publickeyHash前面加上version(版本)字节数组获得versionPublickeyHash

  • 对versionPublickeyHash进行两次sha256散列并取前４位字节，获得tailfHash

  • 将tailfHash拼接到versionPublickeyHash后面，获得公钥的最终Hash即finalHash

  • 最后将finalHash进行Base58编码得到比特币地址

为何比特币生成地址要这么麻烦，既然非对称加密只拥有公钥是无法倒推出私钥的，为何不直接使用公钥当地址，而是对公钥进行hash多次来取得地址，因为量子计算机是可以破解椭圆曲线加密的，其可以通过公钥快速寻找到私钥信息。但是量子计算机很难逆转Hash算法(或者说需要2的80次方个步骤来破解Hash)，所以你的比特币放在一个未支付过的地址中(根据UTXO交易模型，输出存的是公钥Hash而不是公钥,这同样解释了为何UTXO输入存的是公钥而输出存的是公钥Hash)是相当安全的。也就是说已有花费的地址在面对量子计算机面前是不安全的，没有花费的地址有较强的抗量子性。

区块生成、验证

    基于POW共识算法生成区块，首先根据难度值（可在配置文件里定义）来定义挖矿难度（一串大数），通过调用go自身的随机数包crypto/rand来不断的变换随机数nonce，不断哈希区块自身来使最终计算出来的区块自身hash值小于当前定义的挖矿难度则获得出块权利。

    出块节点可获得奖励代币并拥有记账权，出块后像全网进行广播。其余P2P节点收到区块后首先对区块自身hash进行验证，其次检验区块里的prehash与本地的前区块hash是否一致，最后存入本地数据库中。

数据持久化模块

    持久化层基于KV型数据库blot多封装了一层,主要接口为put、view、delete。每次调用接口会单独打开、关闭数据库的句柄，所以不会出现被其他线程占用的情况。数据库分别建立了三个表 BlockBucket（用于存放区块的详细信息）、AddrBucket（用于存放本地钱包数据）、UTXOBucket（用于存放未消费UTXO数据）

P2P网络通讯模块

   使用适合寻址的DHT技术，是一种分布式存储方法。在不需要服务器的情况下，每个客户端负责一个小范围的路由，并负责存储一小部分数据，从而实现整个DHT网络的寻址和存储。

   节点启动后会自动在DHT网络中寻找其他对等节点，发现后会存放在节点池中（存于内存），节点之间相互通讯的数据前十二个字节默认为命令，根据命令不同来对本地的区块链相关信息进行反馈

   主要运行原理为分发区块与收到交易后的挖矿：

  获取区块流程：

  1. 互相对比区块高度

  2. 获取缺失的区块hash

  3. 通过区块hash来接收缺失的整个区块

  4. 区块验证，存入数据库

  挖矿流程：

  1. 通过某个节点发送交易数据到全网节点

  2. 节点接收到交易，对交易进行签名验证,余额验证

  3. 验证通过后存入交易池，满足交易池大小后开始挖矿

  4. 挖矿成功，全网广播区块高度

  5. 发送区块到其他节点

  6. 其他节点进行区块验证，存入数据库

日志输出模块

    使用自制的log包，程序启动后会默认在当前目录下(可在配置文件设置)生成log+端口号的日志文件，所有程序产生的debug信息都会打印到此日志文件中，建议开启一个窗口进行实时监听以方便观察节点之间的交互，以及区块生成的详细步骤

【日志包特点】：

  • 支持定向输出日志到指定文件

  • 支持一键隐藏调试信息

  • 支持彩色打印

  • 显示输出日志的类名、函数/方法名

主要使用的工具包

包 用途
github.com/boltdb/bolt k,v型数据库
github.com/spf13/viper 配置文件读取工具
github.com/golang/crypto 密码学相关工具
github.com/libp2p/go-libp2p ipfs旗下的p2p通讯工具

程序运行教程：

1.下载后编译

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go build -mod=vendor -o chain main.go

2.打开多个窗口

为了简化操作，在同一台电脑中启动不同端口来模拟P2P节点

3.修改配置文件

主要修改本地监听ip，本地监听端口。其他的默认即可

不建议调小难度阀值，避免产生区块分叉情况，demo暂未对区块分叉做处理

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vi config.yaml
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blockchain:
  #挖矿难度值,越大越难挖
  mine_difficulty_value: 24
  #挖矿奖励代币数量
  token_reward_num: 25
  #交易池大小(满足多少条交易才开始进行挖矿)
  trade_pool_length: 2
  #日志存放路径
  log_path: "./"
  #中文助记词种子路径
  chinese_mnemonic_path: "./chinese_mnemonic_world.txt"
network:
  #本地监听IP
  listen_host: "192.168.0.164"
  #本地监听端口
  listen_port: "9000"
  #节点组唯一标识名称(如果节点间名称不同会找不到网络)*
  rendezvous_string: "meetme"
  #网络传输流的协议id(如果节点间id不同发送不了数据)*
  protocol_id: "/chain/1.1.0"

4.启动节点,创建钱包,生成创世区块

启动节点1

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./chain

通过命令,先生成三个钱包地址

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\> generateWallet
助记词： ["肺段","生地","齿槽","几维","中葡","芒鱼","光华"]
私钥： 6HrLjHE4Qm31dZFGjemwNLZM3iqnxoSUqKb5VtEKbWzh
地址： 12BwtcVWimms9rrKxxoCev68woGyMYS4sk
\> generateWallet
助记词： ["扭伤","剪创","肌病","下陷","广发","浊音","斜疝"]
私钥： 7yBRSB46q8ZeEiYbwZDSvKzzsh1MYAygeo2i689uEMAf
地址： 1B6KYdABXZDwq8xGTbdDknpHBo11CkihxS
\> generateWallet
助记词： ["心室","缺缸","瓣胃","黑茶","份额","张铜","回游"]
私钥： 872CCeLS8bDrC7bdSoFrgUSWm57eqTdypEhKbErYC9xi
地址： 1E6aRBxfncAsypUnjGxPJYbR4JQ3gZ6hHD
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生成创世区块(赋予第一个地址100Tokens)
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\>genesis -a 18WWJRVanNtsxdnEJF4fNTNDeyAiLjANqq -v 100

已成生成创世区块

日志1实时查看日志(可以看到挖矿过程)

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\>tail -f log9000.txt

5.同步区块

节点2,节点3依次修改配置文件的端口号为9001,9002,启动这两个节点来同步创世区块

6.进行转帐操作

每个节点设置挖矿奖励地址(也可以不设置,不设置的情况下,节点挖到矿后不会产生奖励)

节点1\2\3设置挖矿奖励地址:

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\> setRewardAddr -a 18WWJRVanNtsxdnEJF4fNTNDeyAiLjANqq
已设置地址18WWJRVanNtsxdnEJF4fNTNDeyAiLjANqq为挖矿奖励地址！

节点1进行转帐操作(创世地址像其他两个地址每个转帐10Tokens)

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\> transfer -from ["18WWJRVanNtsxdnEJF4fNTNDeyAiLjANqq","18WWJRVanNtsxdnEJF4fNTNDeyAiLjANqq"] -to ["15eFYU2RWeVXUuwaMNEpWjixBnuGXKRGPd","1HLJB98wJrX12J4bQRM4LDYz3T99Rm2CVB"] -amount [10,10]

7.查看余额

三个节点中,由节点2挖到区块,里所应当节点2获得挖矿奖励25Tokens

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\> getBalance -a 18WWJRVanNtsxdnEJF4fNTNDeyAiLjANqq
地址:18WWJRVanNtsxdnEJF4fNTNDeyAiLjANqq的余额为：80
\> getBalance -a 15eFYU2RWeVXUuwaMNEpWjixBnuGXKRGPd
地址:15eFYU2RWeVXUuwaMNEpWjixBnuGXKRGPd的余额为：35
\> getBalance -a 1HLJB98wJrX12J4bQRM4LDYz3T99Rm2CVB
地址:1HLJB98wJrX12J4bQRM4LDYz3T99Rm2CVB的余额为：10

8.查看区块详细信息

任意节点输入printAllBlock命令查看区块信息

区块1为创世区块,只有赋予18WWJRVanNtsxdnEJF4fNTNDeyAiLjANqq的100UTXO输出

可以看到区块2:

第一笔交易,地址18WWJRVanNtsxdnEJF4fNTNDeyAiLjANqq先花掉创世区块额度为100的UTXO,给自身生成一个90UTXO,给地址15eFYU2RWeVXUuwaMNEpWjixBnuGXKRGPd 生成10UTXO

第二笔交易地址18WWJRVanNtsxdnEJF4fNTNDeyAiLjANqq使用第一笔交易输出的90额度的UTXO,给自身生成一个80UTXO 以及给地址1HLJB98wJrX12J4bQRM4LDYz3T99Rm2CVB 生成10UTXO

第三笔交易为挖矿奖励交易,所以只有输出,没有输入,给地址15eFYU2RWeVXUuwaMNEpWjixBnuGXKRGPd 生成25UTXO(在配置文件中设置的25奖励额度)

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\> printAllBlock

​

9.助记词导入钱包

通过助记词导入钱包信息,例子如下:

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\> importMnword -m ["扭伤","剪创","肌病","下陷","广发","浊音","斜疝"]

Ω
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