在 Go 中构建区块链：网络

2023-11-13 10:35:28

Go 构建区块链 — 第 7 部分：网络

该系列的所有文章都已在 GitHub 上分享：blockchain-tutorial，后续如有更新，都将在 GitHub 上进行，可能不会在此处同步更新了。若要直接运行代码，也可克隆教程仓库的 GitHub 版本，进入 src 目录，执行 make 即可。至此，我们已构建出以下基础设施：

一个用来存储区块的数据库
一个用来生成、验证、广播区块的节点
一个用来达成区块链共识的算法

现在，我们要将这些节点连接起来，搭建一个真正的网络。

网络拓扑

我们使用一个简单的对等网络拓扑，其中每个节点都与所有其他节点连接。这是一种常见的拓扑结构，易于理解和实现，适用于小型网络。对于大型网络，可能需要使用更复杂的拓扑结构，例如树形或星形拓扑结构。

网络协议

为了使节点能够相互通信，我们需要定义一个网络协议。该协议将定义节点如何交换消息，以及这些消息的格式。

我们的协议将使用 TCP 作为底层传输协议。TCP 是一种可靠、面向连接的协议，非常适合用于构建区块链网络。

我们的协议将定义以下消息类型：

新块消息： 当一个节点创建新块时，它将向网络广播该块。
请求块消息： 当一个节点需要一个它没有的块时，它会向网络发送请求。
响应块消息： 当一个节点收到请求块消息时，它将发送回所请求的块（如果它有的话）。
共识消息： 当一个节点就新块达成共识时，它将向网络广播该共识。

网络层实现

我们将在 Go 中实现网络层。我们将使用 net 包来处理 TCP 连接和消息编解码。

package network

import (
	"bytes"
	"encoding/binary"
	"fmt"
	"log"
	"net"
	"time"
)

// 消息类型
const (
	NewBlockMessage = 1
	RequestBlockMessage = 2
	ResponseBlockMessage = 3
	ConsensusMessage = 4
)

// 网络层接口
type Network interface {
	Start() error
	Stop()
	SendNewBlock(block []byte) error
	RequestBlock(hash []byte) ([]byte, error)
	BroadcastConsensus(consensus []byte) error
	OnNewBlock(func([]byte))
	OnRequestBlock(func([]byte) []byte)
	OnConsensus(func([]byte))
}

// 网络层实现
type network struct {
	ln net.Listener
	conns map[net.Conn]struct{}
	newBlockListeners []func([]byte)
	requestBlockListeners []func([]byte) []byte
	consensusListeners []func([]byte)
}

完整的网络层实现包含更多代码，但这里展示了基本思想。我们定义了一个 Network 接口，它定义了网络层需要提供的功能。我们还定义了一个 network 结构，它实现了 Network 接口。

将网络层集成到区块链中

现在，我们可以将网络层集成到我们的区块链中。

package blockchain

import (
	"github.com/example/blockchain/network"
)

// 区块链结构
type Blockchain struct {
	db blockchainDB
	network network.Network
}

// 新建区块链
func NewBlockchain(db blockchainDB, network network.Network) *Blockchain {
	return &Blockchain{
		db: db,
		network: network,
	}
}

// 创建新块
func (bc *Blockchain) CreateBlock(data []byte) (*Block, error) {
	block, err := bc.db.CreateBlock(data)
	if err != nil {
		return nil, err
	}

	// 广播新块
	err = bc.network.SendNewBlock(block.Encode())
	if err != nil {
		return nil, err
	}

	return block, nil
}

完整的集成包含更多代码，但这里展示了基本思想。我们将网络对象注入到区块链结构中，并使用它来广播新块。

运行区块链

现在，我们可以运行区块链并测试网络。

package main

import (
	"fmt"
	"time"

	"github.com/example/blockchain"
	"github.com/example/blockchain/network"
)

func main() {
	// 创建区块链数据库
	db := blockchain.NewBlockchainDB()

	// 创建网络层
	network := network.NewNetwork()

	// 创建区块链
	blockchain := blockchain.NewBlockchain(db, network)

	// 启动网络层
	err := network.Start()
	if err != nil {
		log.Fatal(err)
	}

	// 创建一些块
	for i := 0; i < 10; i++ {
		block, err := blockchain.CreateBlock([]byte(fmt.Sprintf("块 %d", i)))
		if err != nil {
			log.Fatal(err)
		}

		fmt.Printf("创建新块：%x\n", block.Hash)
		time.Sleep(1 * time.Second)
	}

	// 停止网络层
	network.Stop()
}