五分鍾搭建你的第一個區塊鏈應用

為什么要學點區塊鏈知識？看看馬雲在剛剛過去的第二屆世界智能大會上怎么說。

 

 

言歸正傳。

 

提起區塊鏈，人們自然會想到比特幣。比特幣或許是泡沫或許不是，但比特幣背后的區塊鏈技術絕不是泡沫，且極具顛覆力。今天各大科技巨頭 都在積累區塊鏈技術和專利。山雨欲來風滿樓，區塊鏈技術應用場景的爆發即使不在當下，也近在眼前。區塊鏈開發人員的薪水也已登上了金字塔尖，這才是我們要學習區塊鏈技術的真正原因。

 

本文將首先介紹比特幣和區塊鏈背后的關鍵技術點，然后解釋以太坊智能合約對區塊鏈技術的改進，最后講解如何使用超級賬本項目創建簡易的區塊鏈銀行轉賬系統。

 

該區塊鏈銀行轉賬系統已同步發布在了 [ 行雲趣碼開發雲平台 ] 的應用商店，在開始接下來的閱讀之前，您可以先登錄平台部署並感受一下該系統。

 

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從拜占庭將軍說起

 

拜占庭將軍（Byzantine Generals Problem）問題，是 Leslie Lamport 1982 年提出用來解釋一致性問題的一個虛構模型。拜占庭是古代東羅馬帝國的首都，由於地域寬廣，守衛邊境的多個將軍（系統中的多個節點）需要通過信使來傳遞消息，達成某些一致的決定。但由於將軍中可能存在叛徒（系統中節點出錯），這些叛徒將努力向不同的將軍發送不同的消息，試圖會干擾一致性的達成。

 

 

拜占庭問題即為在此情況下，如何讓忠誠的將軍們能達成行動的一致。這是分布式系統核心問題之一。拜占庭問題之所以難解，在於任何時候系統中都可能存在多個提案（因為提案成本很低），並且要完成最終的一致性確認過程十分困難，容易受干擾。但是一旦確認，即為最終確認。

 

比特幣網絡中的礦機 

 

比特幣網絡的唯一功能就是"轉賬"，該系統中比特幣的上限被設定為2100萬個。這些比特幣是如何被"挖"出來的呢？答案是記賬獎勵。比特幣網絡中的礦機（計算機）就是記賬員，記賬員每完成一次記賬就能獲得一定的比特幣獎勵，俗稱挖礦收入。

 

比特幣產生速度每4年減半，所以挖礦獲得的比特幣會越來越少，直到零。之后需要從轉賬者那里收取轉賬手續費維系礦機的運轉，就像普通商業銀行收取用戶轉賬的手續費。

 

比特幣網絡中的礦機，其角色等同於拜占庭問題中的將軍。當用戶發起比特幣轉賬時，礦機就會試圖就該交易達成共識，就像拜占庭將軍們一樣，達成共識需要有礦機發起提案，有礦機進行表決(背書)，在比特幣網絡中只有發起提案的礦機才能獲得挖礦收入。誰會獲得發起提案的機會呢？

 

 

比特幣的區塊鏈網絡在設計時提出了創新的 PoW（Proof of Work）算法思路。一個是限制一段時間內整個網絡中出現提案的個數（增加提案成本），另外一個是放寬對最終一致性確認的需求，約定好大家都確認並沿着已知最長的鏈進行拓寬。系統的最終確認是概率意義上的存在。這樣，即便有人試圖惡意破壞，也會付出很大的經濟代價（付出超過系統一半的算力）。

 

礦機都在爭奪提案的機會，他們同時求解同一道數學題，最先交卷的礦機將贏得本次提案的機會。數學題(示意版)如下：

hash (上一個區塊的hash值 + 隨機數) < 00000000000FFFFFFFFFFFFFFFFFFFFF

 

比賽開始后，礦機把上一個區塊的hash值加上不斷嘗試的隨機數，重新計算hash，直到hash的結果小於某個值時，求解成功。比特幣網絡會自動調整求解難度，即調整不等式右邊hash值的大小，把提案頻率控制在10分鍾左右。

 

以太坊的智能合約

 

智能合約（Smart Contract）是以太坊中最為重要的一個概念，即以計算機程序的方式來締結和運行各種合約。最早在上世紀 90 年代，Nick Szabo 等人就提出過類似的概念，但一直依賴因為缺乏可靠執行智能合約的環境，而被作為一種理論設計。區塊鏈技術的出現，恰好補充了這一缺陷。

 

智能合約作為運行在以太坊虛擬機（Ethereum Virtual Machine，EVM）中的應用，可以接受來自外部的交易請求和事件，通過觸發運行提前編寫好的代碼邏輯，進一步生成新的交易和事件，可以進一步調用其它智能合約。智能合約的執行結果可能對以太坊網絡上的賬本狀態進行更新。這些修改由於經過了以太坊網絡中的共識，一旦確認后無法被偽造和篡改。

 

 

比特幣網絡中的轉賬和以太坊的智能合約，類似功能機和智能手機，前者只能運行預置的軟件（比特幣網絡的轉賬），后者可以安裝各種APP （以太坊的智能合約）。智能手機帶來的顛覆無需贅言，同樣，只需看一下ICO市場的躁動就能窺見智能合約帶來的改變。

 

私有鏈和超級賬本項目

 

由IBM和Linux基金會主導的超級賬本（Hyperledger）項目，是開發私有鏈和聯盟鏈的不二之選。該項目下有很多子項目，比如最重要的Fabric項目，提供區塊鏈運行的基礎支撐；Composer項目簡化了智能合約（Hyperledger中稱為chaincode）的開發和部署。

 

 

在剛剛結束的ThoughtWorks技術雷達峰會上，ThoughtWorks也將Hyperledger列為推薦的框架。

 

 

使用超級賬本搭建區塊鏈銀行轉賬系統

 

該系統的區塊鏈網絡部分包括一個CA節點（證書頒發和管理體系），一個Orderer節點（分布式決策中的Proposer），三個Peer節點（用作信用背書）以及三個對應的數據庫（存儲World State）。另外包含兩個業務節點，負責定義並實現業務，並將業務部署在Fabric網絡中，同時提供RESTful接口和UI。該系統出於技術演示的目的而創建，所以不具備完整銀行應用中的諸多功能，比如賬戶、密碼等權限等。如下圖所示：

 

 

 

該區塊鏈系統已同步發布在了 [ 行雲趣碼開發雲平台 ] 的應用工廠，在開始接下來的閱讀之前，您可以創建項目並在模板中選擇“區塊鏈銀行系統”，只需要幾分鍾，就可將一切部署到雲端，快速地感受一下基於區塊鏈技術所構建的應用。

 

http://factory.cloudtogo.cn/

 

以下是該系統開發的具體步驟。

 

一、安裝Fabric和Composer

 

准備一台Ubuntu16.04虛擬機，以非root用戶執行下面的腳本，安裝Fabric和Composer依賴的運行環境。

 

 

#!/bin/bash

#./prereqs-ubuntu.sh

 

# Exit on any failure

set -e

 

# Array of supported versions

declare -a versions=('trusty' 'xenial' 'yakkety');

 

# check the version and extract codename of ubuntu if release codename not provided by user

if [ -z "$1" ]; then

source /etc/lsb-release || \

(echo "Error: Release information not found "; exit 1)

CODENAME=${DISTRIB_CODENAME}

else

CODENAME=${1}

fi

# check version is supported

if echo ${versions[@]} | grep -q -w ${CODENAME}; then

echo "Installing Hyperledger Composer prereqs for Ubuntu ${CODENAME}"

else

echo "Error: Ubuntu ${CODENAME} is not supported"

exit 1

fi

 

# Update package lists

echo "# Updating package lists"

sudo apt-add-repository -y ppa:git-core/ppa

sudo apt-get update

 

# Install Git

echo "# Installing Git"

sudo apt-get install -y git

 

# Install nvm dependencies

echo "# Installing nvm dependencies"

sudo apt-get -y install build-essential libssl-dev

 

# Execute nvm installation script

echo "# Executing nvm installation script"

curl -o- https://raw.githubusercontent.com/creationix/nvm/v0.33.2/install.sh | bash

 

# Set up nvm environment without restarting the shell

export NVM_DIR="${HOME}/.nvm"

[ -s "${NVM_DIR}/nvm.sh" ] && . "${NVM_DIR}/nvm.sh"

[ -s "${NVM_DIR}/bash_completion" ] && . "${NVM_DIR}/bash_completion"

 

# Install node

echo "# Installing nodeJS"

nvm install --lts

 

# Configure nvm to use version 6.9.5

nvm use --lts

nvm alias default 'lts/*'

 

# Install the latest version of npm

echo "# Installing npm"

npm install npm@latest -g

 

# Ensure that CA certificates are installed

sudo apt-get -y install apt-transport-https ca-certificates

 

# Add Docker repository key to APT keychain

curl -fsSL https://download.docker.com/linux/ubuntu/gpg | sudo apt-key add -

 

# Update where APT will search for Docker Packages

echo "deb [arch=amd64] https://download.docker.com/linux/ubuntu ${CODENAME} stable" | \

sudo tee /etc/apt/sources.list.d/docker.list

 

# Update package lists

sudo apt-get update

 

# Verifies APT is pulling from the correct Repository

sudo apt-cache policy docker-ce

 

# Install kernel packages which allows us to use aufs storage driver if V14 (trusty/utopic)

if [ "${CODENAME}" == "trusty" ]; then

echo "# Installing required kernel packages"

sudo apt-get -y install linux-image-extra-$(uname -r) linux-image-extra-virtual

fi

 

# Install Docker

echo "# Installing Docker"

sudo apt-get -y install docker-ce

 

# Add user account to the docker group

sudo usermod -aG docker $(whoami)

 

# Install docker compose

echo "# Installing Docker-Compose"

sudo curl -L \

"https://github.com/docker/compose/releases/download/1.13.0/docker-compose-$(uname -s)-$(uname -m)" \

-o /usr/local/bin/docker-compose

sudo chmod +x /usr/local/bin/docker-compose

 

# Install python v2 if required

set +e

COUNT="$(python -V 2>&1 | grep -c 2.)"

if [ ${COUNT} -ne 1 ]

then

sudo apt-get install -y python-minimal

fi

 

# Install unzip, required to install hyperledger fabric.

sudo apt-get -y install unzip

 

# Print installation details for user

echo ''

echo 'Installation completed, versions installed are:'

echo ''

echo -n 'Node: '

node --version

echo -n 'npm: '

npm --version

echo -n 'Docker: '

docker --version

echo -n 'Docker Compose: '

docker-compose --version

echo -n 'Python: '

python -V

 

# Print reminder of need to logout in order for these changes to take effect!

echo ''

echo "Please logout then login before continuing.”

 

 

 

 

上述腳本執行完成后，退出並重新登錄。執行下面的腳本，安裝Composer（Composer會安裝並啟動Fabric網絡）。

 

 

 

#!/bin/bash

#./install-composer.sh

 

npm install -g composer-cli

npm install -g composer-rest-server

npm install -g generator-hyperledger-composer

npm install -g yo

npm install -g composer-playground

mkdir ~/fabric-dev-servers && cd ~/fabric-dev-servers

curl -O https://raw.githubusercontent.com/hyperledger/composer-tools/master/packages/fabric-dev-servers/fabric-dev-servers.tar.gz

tar -xvf fabric-dev-servers.tar.gz

cd ~/fabric-dev-servers

./downloadFabric.sh

./startFabric.sh

./createPeerAdminCard.sh

 

 

此時執行docker ps可以看到Fabric網絡運行的容器。

 

 

二、創建業務網絡、編寫業務代碼（chaincode）並打包

 

1. 規划業務網絡

 

$ yo hyperledger-composer

> Y

> Business Network

> test-bank

> Basic Bank App

> jack

> [e-mail]

> [ enter ]

> test

> No: generate a populated sample network

$ cd ~/test-bank

$ rm test/logic.js

 

 

2. 編寫業務代碼，把的內容修改成models/test.cto的內容修改成

 

namespace test

asset Account identified by accountId {

o String accountId

--> Customer owner

o Double balance

}

participant Customer identified by customerId {

o String customerId

o String firstName

o String lastName

}

transaction AccountTransfer {

--> Account from

--> Account to

o Double amount

}

 

把lib/logic.js的內容修改成：

 

function accountTransfer(accountTransfer) {

if (accountTransfer.from.balance < accountTransfer.amount) {

throw new Error ("Insufficient funds");

}

accountTransfer.from.balance -= accountTransfer.amount;

accountTransfer.to.balance += accountTransfer.amount;

return getAssetRegistry('test.Account')

.then (function (assetRegistry) {

return assetRegistry.update(accountTransfer.from);

})

.then (function () {

return getAssetRegistry('test.Account');

})

.then(function (assetRegistry) {

return assetRegistry.update(accountTransfer.to);

});

}

 

3. 更新ACL並打包成可部署的格式

 

$ vim permissions.acl

> :%s/SampleParticipant/Customer/g

> :%s/SampleTransaction/AccountTransfer/g

> :%s/SampleAsset/Account/g

> :qw

$ composer archive create -t dir -n .

 

 

三、部署到Fabric網絡

 

$ composer network install --card PeerAdmin@hlfv1 --archiveFile [e-mail]

$ composer network start --networkName test-bank --networkVersion 0.0.1 \

   --card PeerAdmin@hlfv1 --networkAdmin admin --networkAdminEnrollSecret adminpw --file networkadmin.card

$ composer card import --file networkadmin.card

$ composer network ping --card admin@test-bank

 

 

四、生成RESTful API

 

$ composer-rest-server

> admin@test-bank

> always use namespaces

> N

> N

> Y

> N

 

至此整個區塊鏈銀行轉賬系統部署完成，訪問http://vmip:3000/explorer即可創建用戶和賬戶以及發起轉賬操作。 本文在編寫過程中參考了如下文章，在此對作者深表感謝。

 

• https://www.hyperledger.org/projects/fabric

• https://www.hyperledger.org/projects/composer

• https://medium.freecodecamp.org/ultimate-end-to-end-tutorial-to-create-an-application-on-blockchain-using-hyperledger-3a83a80cbc71

• https://medium.com/hyperlegendary/setting-up-a-blockchain-business-network-with-hyperledger-fabric-composer-running-in-multiple-bfbe4e38b6c6

• https://medium.com/kokster/simpler-setup-for-hyperledger-fabric-on-kubernetes-using-docker-in-docker-8346f70fbe80

• https://chainhero.io/2018/03/tutorial-build-blockchain-app-2/#install-instantiate-the-chaincode