Rust 實現一個簡單的區塊鏈

一、背景

近期用 Rust 實現了 Jeiwan/blockchain_go，與原項目相比沒有加入新的功能，只是換了一個編程語言實現了一遍，源碼放在 Github 上。

開發這個項目，花費了好幾個周末，比較低效，需要反思。中途差點爛尾，被情緒影響，不知道做這件事的意義在哪里，有什么收益，還好堅持了下來。我很佩服原項目的作者，能夠持之以恆將一個項目做得那么好，還有完整的文檔講解。循序漸進，代碼配合文檔，非常清晰易懂。換句話說，作者為了寫一篇技術科普文章介紹區塊鏈，捎帶用代碼寫了一個演示案例 ————————— 代碼是文檔的注釋

過去一年里，在學習攝影過程中，了解到美術的一個概念：

• 臨摹：將別人的作品惟妙惟肖地畫出來，這祌方法就是臨摹。
• 寫生：直接面對實物進行描繪就是寫生。
• 創作：是對現實生活通過觀察、體驗、研究、分析、選擇、加工和提煉后，塑造藝術形象的創造性勞動。

（圖：https://www.laihuihua.com/K/article-1481.html）

臨摹是學習、研究和掌握前人繪畫經驗的一個橋梁，可以使畫者獲得一定的繪畫技巧，為寫生奠定基礎。寫生是不斷提高畫者對客觀事物的感受能力以及繪畫技藝的唯嚙徑，為創作積累生動的素材，是創作的必經之路。創作則集中體現了畫家的繪畫功底和綜合藝術修養。臨摹、寫生和創作三者相互依存，互相促進，缺一不可。

我覺得這個概念同樣適合於技術領域，甚至任何行業，以技術領域舉例：

• 臨摹：學習框架、開源項目的源碼，臨摹其中的優秀設計，將其用於實際項目。
• 寫生：發現一個需求，根據過往的經驗，輸出技術方案，完成程序開發工作。
• 創作：推動技術創新，改變世界，比如：Google 大數據的三大論文。

好啦，前面啰嗦了那么多，究竟想干啥。其實就是臨摹這個項目，同時提高學習內容留存率：

• 通過做實踐項目，提高 Rust 編程能力。
• 學習區塊鏈基本概念，理解 BTC 內部實現原理。
  

二、區塊鏈概念

注：本文不是區塊鏈科普文章，想看完整的介紹可以看 原項目。（中文翻譯）

下面簡要摘錄下里面使用的名詞術語：

• 區塊

  在區塊鏈中，真正存儲有效信息的是區塊（block）。而在比特幣中，真正有價值的信息就是交易（transaction）。實際上，交易信息是所有加密貨幣的價值所在。除此以外，區塊還包含了一些技術實現的相關信息，比如版本，當前時間戳和前一個區塊的哈希。

• 區塊鏈

  本質上，區塊鏈就是一個有着特定結構的數據庫，是一個有序，每一個塊都連接到前一個塊的鏈表。也就是說，區塊按照插入的順序進行存儲，每個塊都與前一個塊相連。

• 工作量證明

  區塊鏈的一個關鍵點就是，一個人必須經過一系列困難的工作，才能將數據放入到區塊鏈中。正是由於這種困難的工作，才保證了區塊鏈的安全和一致。此外，完成這個工作的人，也會獲得相應獎勵（這也就是通過挖礦獲得幣）。
  這個機制與生活現象非常類似：一個人必須通過努力工作，才能夠獲得回報或者獎勵，用以支撐他們的生活。在區塊鏈中，是通過網絡中的參與者（礦工）不斷的工作來支撐起了整個網絡。礦工不斷地向區塊鏈中加入新塊，然后獲得相應的獎勵。在這種機制的作用下，新生成的區塊能夠被安全地加入到區塊鏈中，它維護了整個區塊鏈數據庫的穩定性。值得注意的是，完成了這個工作的人必須要證明這一點，即他必須要證明他的確完成了這些工作。

  整個 “努力工作並進行證明” 的機制，就叫做工作量證明（proof-of-work）。要想完成工作非常地不容易，因為這需要大量的計算能力：即便是高性能計算機，也無法在短時間內快速完成。另外，這個工作的困難度會隨着時間不斷增長，以保持每 10 分鍾出 1 個新塊的速度。在比特幣中，這個工作就是找到一個塊的哈希，同時這個哈希滿足了一些必要條件。這個哈希，也就充當了證明的角色。因此，尋求證明（尋找有效哈希），就是礦工實際要做的事情。

• 交易

  交易（transaction）是比特幣的核心所在，而區塊鏈唯一的目的，也正是為了能夠安全可靠地存儲交易。在區塊鏈中，交易一旦被創建，就沒有任何人能夠再去修改或是刪除它。

  由於比特幣采用的是 UTXO 模型，並非賬戶模型，並不直接存在“余額”這個概念，余額需要通過遍歷整個交易歷史得來。一筆交易由一些輸入（input）和輸出（output）組合而來。

• 獎勵

  挖礦獎勵，實際上就是一筆 coinbase 交易。當一個挖礦節點開始挖出一個新塊時，它會將交易從隊列中取出，並在前面附加一筆coinbase交易。coinbase 交易只有一個輸出，里面包含了礦工的公鑰哈希。

• UTXO 集

  Bitcoin Core 存儲設計，是將區塊存儲在 blocks 數據庫，將交易輸出存儲在 chainstate 數據庫。其中，chainstate 也就是未花費交易輸出的集合，可以理解為 blocks 數據庫的未花費交易輸出的索引，稱之為 UTXO 集。

• P2PKH

  在比特幣中有一個 腳本（Script） 編程語言，它用於鎖定交易輸出；交易輸入提供了解鎖輸出的數據。它所做的事情就是向一個公鑰哈希支付，也就是說，用某一個公鑰鎖定一些幣。這是比特幣支付的核心：沒有賬戶，沒有資金轉移；只有一個腳本檢查提供的簽名和公鑰是否正確。

  有了一個這樣的腳本語言，實際上也可以讓比特幣成為一個智能合約平台：除了將一個單一的公鑰轉移資金，這個語言還使得一些其他的支付方案成為可能。

• 錢包地址

  比特幣地址是完全公開的，如果你想要給某個人發送幣，只需要知道他的地址就可以了。但是，地址並不是用來證明你是一個“錢包”所有者的信物。實際上，所謂的地址，只不過是將公鑰表示成人類可讀的形式而已，因為原生的公鑰人類很難閱讀。在比特幣中，你的身份（identity）就是一對（或者多對）保存在你的電腦（或者你能夠獲取到的地方）上的公鑰（public key）和私鑰（private key）。比特幣基於一些加密算法的組合來創建這些密鑰，並且保證了在這個世界上沒有其他人能夠取走你的幣，除非拿到你的密鑰。

• 數字簽名

  在數學和密碼學中，有一個數字簽名（digital signature）的概念，算法可以保證：

  1. 當數據從發送方傳送到接收方時，數據不會被修改；
  2. 數據由某一確定的發送方創建；
  3. 發送方無法否認發送過數據這一事實。

  通過在數據上應用簽名算法（也就是對數據進行簽名），你就可以得到一個簽名，這個簽名晚些時候會被驗證。生成數字簽名需要一個私鑰，而驗證簽名需要一個公鑰。簽名有點類似於印章，比方說我做了一幅畫，完了用印章一蓋，就說明了這幅畫是我的作品。給數據生成簽名，就是給數據蓋了章。

• 區塊鏈網絡

  區塊鏈特性可以認為是規則（rule），區塊鏈網絡就是一個程序社區，里面的每個程序都遵循同樣的規則，正是由於遵循着同一個規則，才使得網絡能夠長存。

  區塊鏈網絡是去中心化的，這意味着沒有服務器，客戶端也不需要依賴服務器來獲取或處理數據。在區塊鏈網絡中，有的是節點，每個節點是網絡的一個完全（full-fledged）成員。節點就是一切：它既是一個客戶端，也是一個服務器。這一點需要牢記於心，因為這與傳統的網頁應用非常不同。

  區塊鏈網絡是一個 P2P（Peer-to-Peer，端到端）的網絡，即節點直接連接到其他節點。它的拓撲是扁平的，因為在節點的世界中沒有層級之分。
  

• 節點角色

  盡管節點具有完備成熟的屬性，但是它們也可以在網絡中扮演不同角色。比如：

  1. 礦工 這樣的節點運行於強大或專用的硬件（比如 ASIC）之上，它們唯一的目標是，盡可能快地挖出新塊。礦工是區塊鏈中唯一可能會用到工作量證明的角色，因為挖礦實際上意味着解決 PoW 難題。在權益證明 PoS 的區塊鏈中，沒有挖礦。
  2. 全節點 這些節點驗證礦工挖出來的塊的有效性，並對交易進行確認。為此，他們必須擁有區塊鏈的完整拷貝。同時，全節點執行路由操作，幫助其他節點發現彼此。對於網絡來說，非常重要的一段就是要有足夠多的全節點。因為正是這些節點執行了決策功能：他們決定了一個塊或一筆交易的有效性。
  3. SPV SPV 表示 Simplified Payment Verification，簡單支付驗證。這些節點並不存儲整個區塊鏈副本，但是仍然能夠對交易進行驗證（不過不是驗證全部交易，而是一個交易子集，比如，發送到某個指定地址的交易）。一個 SPV 節點依賴一個全節點來獲取數據，可能有多個 SPV 節點連接到一個全節點。SPV 使得錢包應用成為可能：一個人不需要下載整個區塊鏈，但是仍能夠驗證他的交易。

三、節點網絡事件

注：下面是一個簡化的網絡模型，用於模擬多節點網絡。筆者沒有研究過 BTC 的P2P網絡，不了解真實的P2P網絡通訊過程。

在簡化后的網絡模型中，節點之間采用異步消息通信機制。將每個消息稱為網絡事件，梳理的事件機制如下：

四、項目介紹

源碼地址：https://github.com/ZuoFuhong/blockchain_rust

前面提到，Rust 實現的版本，僅僅是編程語言不同於原項目，其它的邏輯均是一致的。如果您閱讀過源碼，還是會發現一丟丟的不同。

• 單元測試：Rust 編碼有個很爽的點，就是可以在同一個源碼文件中寫單元測試，運行單元測試。不用像 Golang 那樣需要在不同文件中切換。所以可以看到，項目源碼中有着非常多的單元測試。
• 命令行程序：由於語言上的差異，命令行的實現差異較大，可以看到 Rust 的版本使用因語言特性，使用屬性宏整體更加簡潔。
• 區塊鏈 db / 錢包文件：區塊數據和錢包數據會持久化到磁盤上，相比原項目，Rust 的版本沒有給文件打上端口號，減少源碼閱讀干擾。

五、開始游戲

我很樂於將 BTC 稱之為游戲，每個節點有自己的身份角色，也可以切換角色。通過網絡，大家遵守着同樣的游戲規則。玩家穿行於虛擬和現實，在現實世界中賺取游戲中的虛擬貨幣，用游戲中的虛擬貨幣進行現實消費。Wow! That's totally awesome!

好啦，現在開始一場游戲吧 !

1.在同一台機器上，使用三個不同的端口，模擬三個節點：

其中：

• node1: 中心節點
• node2: 錢包節點
• node3: 礦工節點

2.在 node1 中心節點下創建一個錢包和一個新的區塊鏈

生成一個僅包含創世塊的區塊鏈，並在其他節點使用。創世塊承擔了一條鏈標識符的角色（在 Bitcoin Core 中，創世塊是硬編碼的）

其中：

• 錢包地址：1QAjnwyGZL3woxUvzhdVePyjThtxQYpogL
• 創世塊 hash：00e2b7601305ffe6ac39a7272324d42d3de2cf6f68129c9f555127c8ccb94b7f

3.接下來，在 node2 錢包節點生成一些錢包地址，我們稱這些地址叫做：

• WALLET_1：1DB3GnPvCXEeLyzL9FxZHNzUz6C2eQFxvN
• WALLET_2：19g2ZZBiVCafgTQjUrEmJnwGgoc16nk1Yi
• WALLET_3：14A4DXBji2pnZRmXL97dVGVDe2ckuVcGGh

4.在 node1 中心節點，向錢包地址發一些幣：

其中：

# 創世塊礦工地址，向 WALLET_1 發 10 個幣
$ blockchain_rust send ${CENTREAL_NODE} ${WALLET_1} 10 1
# 創世塊礦工地址，向 WALLET_2 發 10 個幣
$ blockchain_rust send ${CENTREAL_NODE} ${WALLET_2} 10 1

5.在 node1 中心節點，運行節點

$ blockchain_rust startnode

6.在 node2 錢包節點，運行節點

$ blockchain_rust startnode

它會從中心節點（node1）下載所有區塊。為了檢查一切正常，暫停節點運行並檢查余額：

$ blockchain_rust getbalance ${WALLET_1}
Balance of 'WALLET_1': 10

$ blockchain_rust getbalance ${WALLET_2}
Balance of 'WALLET_2': 10

7.在 node3 礦工節點中生成一個錢包地址。初始化區塊鏈：

# 將錢包地址，作為礦工錢包
$ blockchain_rust startnode ${MINER_WALLET}

其中：

• 錢包地址：1EwpTmQ941b1B7VMxzbVXvc8CrXR89dNXM

8.在 node2 錢包節點，發送一些幣：

# WALLET_1 地址，向 WALLET_3 發 2 個幣
$ blockchain_rust send ${WALLET_1} ${WALLET_3} 2 0
# WALLET_2 地址，向 WALLET_3 發 3 個幣
$ blockchain_rust send ${WALLET_2} ${WALLET_3} 3 0

迅速切換到礦工節點（node3），你會看到挖出了一個新塊！同時，檢查中心節點（node1) 的輸出。

9.切換到 node2 錢包節點並啟動

它會下載最近挖出來的塊！

暫停節點並檢查余額：

Done !