200行Go代码实现自己的区块链——区块生成与网络通信

在第一篇文章[1]中，我们向大家展示了如何通过精炼的Go代码实现一个简单的区块链。如何计算每个块的 Hash 值，如何验证块数据，如何让块链接起来等等，但是所有这些都是跑在一个节点上的。文章发布后，读者反响热烈，纷纷留言让我快点填坑（网络部分），于是就诞生了这第二篇文章。

这篇文章在之前的基础上，解决多个节点网络内，如何生成块、如何通信、如何广播消息等。

流程

第一个节点创建“创始区块”，同时启动 TCP server并监听一个端口，等待其他节点连接。

Step 1

启动其他节点，并与第一个节点建立TCP连接（这里我们通过不同的终端来模拟其他节点）
创建新的块

Step 2

第一个节点验证新生成块
验证之后广播（链的新状态）给其他节点

Step 3

所有的节点都同步了最新的链的状态

之后你可以重复上面的步骤，使得每个节点都创建TCP server并监听（不同的）端口以便其他节点来连接。通过这样的流程你将建立一个简化的模拟的（本地的）P2P网络，当然你也可以将节点的代码编译后，将二进制程序部署到云端。

开始coding吧

设置与导入依赖

参考之前第一篇文章，我们使用相同的计算 hash 的函数、验证块数据的函数等。

设置
在工程的根目录创建一个 .env 文件，并添加配置：

ADDR=9000

通过 go-spew 包将链数据输出到控制台，方便我们阅读：

go get github.com/davecgh/go-spew/spew

通过 godotenv 包来加载配置文件：

go get github.com/joho/godotenv

之后创建 main.go 文件。

导入
接着我们导入所有的依赖：

package main

import (
    "bufio"
    "crypto/sha256"
    "encoding/hex"
    "encoding/json"
    "io"
    "log"
    "net"
    "os"
    "strconv"
    "time"

    "github.com/davecgh/go-spew/spew"
    "github.com/joho/godotenv"
)

回顾
让我们再快速回顾下之前的重点，我们创建一个 Block 结构体，并声明一个Block 类型的 slice，Blockchain：

// Block represents each ‘item‘ in the blockchain
type Block struct {
    Index     int
    Timestamp string
    BPM       int
    Hash      string
    PrevHash  string
}

// Blockchain is a series of validated Blocks
var Blockchain []Block

创建块时计算hash值的函数：

// SHA256 hashing
func calculateHash(block Block) string {
    record := string(block.Index) +
            block.Timestamp + string(block.BPM) + block.PrevHash
    h := sha256.New()
    h.Write([]byte(record))
    hashed := h.Sum(nil)
    return hex.EncodeToString(hashed)
}

创建块的函数：

// create a new block using previous block‘s hash
func generateBlock(oldBlock Block, BPM int) (Block, error) {

    var newBlock Block

    t := time.Now()

    newBlock.Index = oldBlock.Index + 1
    newBlock.Timestamp = t.String()
    newBlock.BPM = BPM
    newBlock.PrevHash = oldBlock.Hash
    newBlock.Hash = calculateHash(newBlock)

    return newBlock, nil
}

验证块数据的函数：

// make sure block is valid by checking index,
// and comparing the hash of the previous block
func isBlockValid(newBlock, oldBlock Block) bool {
    if oldBlock.Index+1 != newBlock.Index {
        return false
    }

    if oldBlock.Hash != newBlock.PrevHash {
        return false
    }

    if calculateHash(newBlock) != newBlock.Hash {
        return false
    }

    return true
}

确保各个节点都以最长的链为准：

// make sure the chain we‘re checking is longer than
// the current blockchain
func replaceChain(newBlocks []Block) {
    if len(newBlocks) > len(Blockchain) {
        Blockchain = newBlocks
    }
}

网络通信

接着我们来建立各个节点间的网络，用来传递块、同步链状态等。

我们先来声明一个全局变量 bcServer ，以 channel（译者注：channel 类似其他语言中的 Queue,代码中声明的是一个 Block 数组的 channel）的形式来接受块。

// bcServer handles incoming concurrent Blocks
var bcServer chan []Block

注：Channel 是 Go 语言中很重要的特性之一，它使得我们以流的方式读写数据，特别是用于并发编程。通过这里[2]可以更深入地学习 Channel。

接下来我们声明 main 函数，从 .env 加载配置，也就是端口号，然后实例化 bcServer

func main() {
    err := godotenv.Load()
    if err != nil {
        log.Fatal(err)
    }

    bcServer = make(chan []Block)

    // create genesis block
    t := time.Now()
    genesisBlock := Block{0, t.String(), 0, "", ""}
    spew.Dump(genesisBlock)
    Blockchain = append(Blockchain, genesisBlock)
}

接着创建 TCP server 并监听端口：

// start TCP and serve TCP server
    server, err := net.Listen("tcp", ":"+os.Getenv("ADDR"))
    if err != nil {
        log.Fatal(err)
    }
    defer server.Close()

需要注意这里的 defer server.Close()，它用来之后关闭链接，可以从这里[3]了解更多 defer 的用法。

for {
        conn, err := server.Accept()
        if err != nil {
            log.Fatal(err)
        }
        go handleConn(conn)
    }

通过这个无限循环，我们可以接受其他节点的 TCP 链接，同时通过 go handleConn(conn) 启动一个新的 go routine（译者注：Rob Pike 不认为go routine 是协程，因此没有译为协程）来处理请求。

接下来是“处理请求”这个重要函数，其他节点可以创建新的块并通过 TCP 连接发送出来。在这里我们依然像第一篇文章一样，以 BPM 来作为示例数据。

客户端通过 stdin 输入 BPM
以 BPM 的值来创建块，这里会用到前面的函数：generateBlock，isBlockValid，和 replaceChain
将新的链放在 channel 中，并广播到整个网络

func handleConn(conn net.Conn) {
    io.WriteString(conn, "Enter a new BPM:")

    scanner := bufio.NewScanner(conn)

    // take in BPM from stdin and add it to blockchain after
    // conducting necessary validation
    go func() {
        for scanner.Scan() {
            bpm, err := strconv.Atoi(scanner.Text())
            if err != nil {
                log.Printf("%v not a number: %v", scanner.Text(), err)
                continue
            }
            newBlock, err := generateBlock(
                                Blockchain[len(Blockchain)-1], bpm)
            if err != nil {
                log.Println(err)
                continue
            }
            if isBlockValid(newBlock, Blockchain[len(Blockchain)-1]) {
                newBlockchain := append(Blockchain, newBlock)
                replaceChain(newBlockchain)
            }

            bcServer <- Blockchain
            io.WriteString(conn, "\nEnter a new BPM:")
        }
    }()

    defer conn.Close()
}

我们创建一个 scanner，并通过 for scanner.Scan() 来持续接收连接中发来的数据。为了简化，我们把 BPM 数值转化成字符串。bcServer <- Blockchain 是表示我们将新的链写入 channel 中。

通过 TCP 链接将最新的链广播出去时，我们需要：

将数据序列化成 JSON 格式
通过 timer 来定时广播
在控制台中打印出来，方便我们查看链的最新状态

// simulate receiving broadcast
    go func() {
        for {
            time.Sleep(30 * time.Second)
            output, err := json.Marshal(Blockchain)
            if err != nil {
                log.Fatal(err)
            }
            io.WriteString(conn, string(output))
        }
    }()

    for _ = range bcServer {
        spew.Dump(Blockchain)
    }

整个 handleConn 函数差不多就完成了，通过这里[4]可以获得完整的代码。