高可用架构

使用Go语言编写区块链P2P网络

导语：本文作者在前几篇文章中展示了一个简单的区块链，包括生成块，验证数据，广播通信,PoW,PoS等。本文继续前文，介绍了p2p网络的基本原理，并且实现了p2p网络区块链。

译者: ChainGod(孙飞)

原文链接: http://chaingod.io/article/20

在之前的文章中，我们已经知道了怎么编写PoW也知道了IPFS怎么工作, 但是有一个致命的缺点，我们的服务都是中心化的，这篇文章会教你怎么实现一个简单的完全去中心化的P2P网络。

背景知识

什么是P2P网络

在真正的P2P架构中，不需要中心化的服务来维护区块链的状态。例如，当你给朋友发送比特币时，比特币区块链的“状态”应该更新，这样你朋友的余额就会增加，你的余额就会减少。

在这个网络中，不存在一个权力高度中心化的机构来维护状态（银行就是这样的中心化机构)。对于比特币网络来说，每个节点都会维护一份完整的区块链状态，当交易发生时，每个节点的区块链状态都会得到更新。这样，只要网络中51%的节点对区块链的状态达成一致，那么区块链网络就是安全可靠的，具体可以阅读这篇一致性协议文章[4]。

本文将继续之前的工作,200行Go代码实现区块链[5], 并加入P2P网络架构。在继续之前，强烈建议你先阅读该篇文章，它会帮助你理解接下来的代码。

开始实现

编写P2P网络可不是开开玩笑就能简单实现的，有很多边边角角的情况都要覆盖到，而且需要你拥有很多工程学的知识，这样的P2P网络才是可扩展、高可靠的。有句谚语说得好：站在巨人肩膀上做事，那么我们先看看巨人们提供了哪些工具吧。

喔，看看，我们发现了什么！一个用Go语言实现的P2P库go-libp2p[1]！如果你对新技术足够敏锐，就会发现这个库的作者和IPFS的作者是同一个团队。如果你还没看过我们的IPFS教程[2]，可以看看这里, 你可以选择跳过IPFS教程，因为对于本文这不是必须的。

警告

目前来说，go-libp2p主要有两个缺点:

安装设置比较痛苦，它使用gx作为包管理工具，怎么说呢，不咋好用，但是凑活用吧
目前项目还没有成熟，正在紧密锣鼓的开发中，当使用这个库时，可能会遇到一些数据竞争(data race)

对于第一点，不必担心，有我们呢。第二点是比较大的问题，但是不会影响我们的代码。假如你在使用过程中发现了数据竞争问题，记得给项目提一个issue，帮助它更好的成长！

总之，目前开源世界中，现代化的P2P库是非常非常少的，因为我们要多给go-libp2p一些耐心和包容，而且就目前来说，它已经能很好的满足我们的目标了。

安装设置

最好的环境设置方式是直接clone libp2p库，然后在这个库的代码中直接开发。你也可以在自己的库中，调用这个库开发，但是这样就需要用到gx了。这里我们使用简单的方式，假设你已经安装了Go:

go get -d github.com/libp2p/go-libp2p/…

cd go-libp2p

make

make deps

这里会通过gx包管理工具下载所有需要的包和依赖，再次申明，我们不喜欢gx，因为它打破了Go语言的很多惯例，但是为了这个很棒的库，认怂吧。

这里，我们在examples子目录下进行开发，因此在go-libp2p的examples下创建一个你自己的目录

mkdir ./examples/p2p

然后进入到p2p文件夹下，创建main.go文件，后面所有的代码都会在该文件中。

你的目录结构是这样的：

好了，勇士们，拔出你们的剑，哦不，拔出你们的main.go，开始我们的征途吧！

导入相关库

这里申明我们需要用的库，大部分库是来自于go-libp2p本身的，在教程中，你会学到怎么去使用它们。

spew包可以很方便、优美的打印出我们的区块链，因此记得安装它：

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

区块链结构

记住，请先阅读200行Go代码实现区块链，这样，下面的部分就会简单很多。

先来申明全局变量：

我们是一家健康看护公司，因此Block中存着的是用户的脉搏速率BPM
Blockchain是我们的"状态"，或者严格的说：最新的Blockchain，它其实就是Block的切片（slice)
mutex是为了防止资源竞争出现

下面是Blockchain相关的特定函数：

isBlockValid检查Block的hash是否合法
calculateHash使用sha256来对原始数据做hash
generateBlock创建一个新的Block区块，然后添加到区块链Blockchain上，同时会包含所需的事务

P2P结构

下面我们快接近核心部分了，首先我们要写出创建主机的逻辑。当一个节点运行我们的程序时，它可以作为一个主机，被其它节点连接。下面一起看看代码:

makeBasicHost函数有3个参数，同时返回一个host结构体

listenPort是主机监听的端口，其它节点会连接该端口
secio表明是否开启数据流的安全选项，最好开启，因此它代表了"安全输入/输出"
randSeed是一个可选的命令行标识，可以允许我们提供一个随机数种子来为我们的主机生成随机的地址。这里我们不会使用

函数的第一个if语句针对随机种子生成随机key，接着我们生成公钥和私钥，这样能保证主机是安全的。opts部分开始构建网络地址部分，这样其它节点就可以连接进来。

!secio部分可以绕过加密，但是我们准备使用加密，因此这段代码不会被触发。

接着，创建了主机地址，这样其他节点就可以连接进来。log.Printf可以用来在控制台打印出其它节点的连接信息。最后我们返回生成的主机地址给调用方函数。

流处理

之前的主机需要能处理进入的数据流。当另外一个节点连接到主机时，它会想要提出一个新的区块链，来覆盖主机上的区块链，因此我们需要逻辑来判定是否要接受新的区块链。

同时，当我们往本地的区块链添加区块后，也要把相关信息广播给其它节点，这里也需要实现相关逻辑。

先来创建流处理的基本框架吧：

这里创建一个新的ReadWriter，为了能支持数据读取和写入，同时我们启动了一个单独的Go协程来处理相关读写逻辑。

读取数据

首先创建readData函数：

该函数是一个无限循环，因为它需要永不停歇的去读取外面进来的数据。首先，我们使用ReadString解析从其它节点发送过来的新的区块链（JSON字符串)。

然后检查进来的区块链的长度是否比我们本地的要长，如果进来的链更长，那么我们就接受新的链为最新的网络状态（最新的区块链)。

同时，把最新的区块链在控制台使用一种特殊的颜色打印出来，这样我们就知道有新链接受了。

如果在我们主机的本地添加了新的区块到区块链上，那就需要把本地最新的区块链广播给其它相连的节点知道，这样这些节点机会接受并更新到我们的区块链版本。这里使用writeData函数:

首先是一个单独协程中的函数，每5秒钟会将我们的最新的区块链状态广播给其它相连的节点。它们收到后，如果发现我们的区块链比它们的要短，就会直接把我们发送的区块链信息丢弃，继续使用它们的区块链，反之则使用我们的区块链。总之，无论哪种方法，所有的节点都会定期的同步本地的区块链到最新状态。

这里我们需要一个方法来创建一个新的Block区块，包含之前提到过的脉搏速率（BPM)。为了简化实现，我们不会真的去通过物联网设备读取脉搏，而是直接在终端控制台上输入一个脉搏速率数字。

首先要验证输入的BPM是一个整数类型，然后使用之前的generateBlock来生成区块，接着使用spew.Dump输入到终端控制台，最后我们使用rw.WriteString把最新的区块链广播给相连的其它节点。

牛逼了我的哥，现在我们完成了区块链相关的函数以及大多数P2P相关的函数。在前面，我们创建了流处理，因此可以读取和写入最新的区块链状态；创建了状态同步函数，这样节点之间可以互相同步最新状态。

剩下的就是实现我们的main函数了：

首先是创建一个创世区块（如果你读了200行Go代码实现你的区块链,这里就不会陌生)。

其次我们使用go-libp2p的SetAllLoggers日志函数来记录日志。

接着，设置了所有的命令行标识：

secio之前有提到，是用来加密数据流的。在我们的程序中，一定要打开该标识
target指明当前节点要连接到的主机地址
listenF是当前节点的监听主机地址，这样其它节点就可以连接进来，记住，每个节点都有两个身份：主机和客户端，毕竟P2P不是白叫的
seed是随机数种子，用来创建主机地址时使用

然后，使用makeBasicHost函数来创建一个新的主机地址，如果我们只想做主机不想做客户端（连接其它的主机)，就使用if *target == “”。

接下来的几行，会从target解析出我们要连接到的主机地址。然后把peerID和主机目标地址targetAddr添加到"store"中，这样就可以持续跟踪我们跟其它主机的连接信息，这里使用的是ha.Peerstore().AddAddr函数。

接着我们使用ha.NewStream连接到想要连接的节点上，同时为了能接收和发送最新的区块链信息，创建了ReadWriter，同时使用一个Go协程来进行readData和writeData。

哇哦

终于完成了，写文章远比写代码累！我知道之前的内容有点难，但是相比P2P的复杂性来说，你能通过一个库来完成P2P网络，已经很牛逼了，所以继续加油！

完整代码

mycoralhealth/blockchain-tutorial

运行结果

现在让我们来试验一下，首先打开3个独立的终端窗口做为独立节点。

开始之前，请再次进入go-libp2p的根目录运行一下make deps，确保所有依赖都正常安装。

回到你的工作目录examples/p2p，打开第一个终端窗口，输入

细心的读者会发现有一段话"Now run…"，那还等啥，继续跟着做吧，打开第二个终端窗口运行：

go run main.go -l 10001 -d -secio

这是你会发现第一个终端窗口检测到了新连接!

接着打开第三个终端窗口，运行：

go run main.go -l 10002 -d -secio

检查第二终端，又发现了新连接

接着，该我们输入BPM数据了，在第一个终端窗口中输入"70"，等几秒中，观察各个窗口的打印输出。

来看看发生了什么：

终端1向本地的区块链添加了一个新的区块Block
终端1向终端2广播该信息
终端2将新的区块链跟本地的对比，发现终端1的更长，因此使用新的区块链替代了本地的区块链，然后将新的区块链广播给终端3
同上，终端3也进行更新

所有的3个终端节点都把区块链更新到了最新版本，同时没有使用任何外部的中心化服务，这就是P2P网络的力量！

我们再往终端2的区块链中添加一个区块试试看，在终端2中输入"80"

结果忠诚的记录了我们的正确性，再一次欢呼吧！

下一步

先享受一下自己的工作，你刚用了区区几百行代码就实现了一个全功能的P2P网络！这不是开玩笑，P2P编程是非常复杂的，为什么之前没有相关的教程，就是因为太难了。

但是，这里也有几个可以改进的地方，你可以挑战一下自己：

之前提到过,go-libp2p是存在数据竞争的Bug的，因此如果你要在生产环境使用，需要格外小心。一旦发现Bug，请反馈给作者团队知道
尝试将本文的P2P网络跟之前的共识协议结合，例如之前的文章PoW 和PoS
添加持久化存储。截止目前，为了简化实现，我们没有实现持久化存储，因此节点关闭，数据就丢失了
本文的代码没有在大量节点的环境下测试过，试着写一个脚本运行大量节点，看看性能会怎么变化。如果发现Bug记得提交给我们[6]

学习一下节点发现技术。新节点是怎么发现已经存在的节点的？这篇文章是一个很好的起点[3]

参考链接：

[1] https://github.com/libp2p/go-libp2p

[2] https://medium.com/@mycoralhealth/learn-to-securely-share-files-on-the-blockchain-with-ipfs-219ee47df54c

[3] https://bitcoin.stackexchange.com/questions/3536/how-do-bitcoin-clients-find-each-other

[4] https://medium.com/@mycoralhealth/code-your-own-blockchain-mining-algorithm-in-go-82c6a71aba1f

[5] https://medium.com/@mycoralhealth/code-your-own-blockchain-in-less-than-200-lines-of-go-e296282bcffc

[6] https://github.com/mycoralhealth/blockchain-tutorial/tree/master/p2p

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本文作者 Coral Health，由ChainGod(孙飞)翻译。转载译文请注明出处，技术原创及架构实践文章，欢迎通过公众号菜单「联系我们」进行投稿。