技术详解 | 系列一：Go语言实现Pow共识算法

PoW呢...Proof of Work ，工作量证明机制，可能这个名字大家不熟悉，说比特币的话，大家就熟悉了。没错，PoW就是比特币所使用的共识机制。

通过计算一个数值（ nonce ），使得拼揍上交易数据后内容的 Hash 值满足规定的上限。在节点成功找到满足的Hash值之后，会马上对全网进行广播打包区块，网络的节点收到广播打包区块，会立刻对其进行验证。

如果验证通过，则表明已经有节点成功解迷，自己就不再竞争当前区块打包，而是选择接受这个区块，记录到自己的账本中，然后进行下一个区块的竞争猜谜。网络中只有最快解谜的区块，才会添加的账本中，其他的节点进行复制，这样就保证了整个账本的唯一性。

假如节点有任何的作弊行为，都会导致网络的节点验证不通过，直接丢弃其打包的区块，这个区块就无法记录到总账本中，作弊的节点耗费的成本就白费了，因此在巨大的挖矿成本下，也使得矿工自觉自愿的遵守比特币系统的共识协议，也就确保了整个系统的安全。

举个例子，给定的一个基本的字符串”Hello, world!”，我们给出的工作量要求是，可以在这个字符串后面添加一个叫做nonce的整数值，对变更后（添加nonce)的字符串进行SHA256哈希运算，如果得到的哈希结果（以16进制的形式表示）是以”0000”开头的，则验证通过。为了达到这个工作量证明的目标。我们需要不停的递增nonce值，对得到的新字符串进行SHA256哈希运算。按照这个规则，我们需要经过4251次计算才能找到恰好前4位为0的哈希散列。

如图所示

然后我们今天呢，就用 Go 语言来实现它。

话不多说，首先从环境搭建教起，对，没错， Golang （ https://www.golangtc.com/download ）。

选择你需要的，笔者话，选择的是 go1.9.2windows-amd64.msi ，不用配置环境，这里展示一下

这样的话就妥了，然后呢，下载git， git （ https://git-scm.com/downloads ）。

下载后打开，安装我们本次所需要的三个第三方库，spew，gorilla/mux，godotenv

spew 在控制台中格式化输出相应的结果。

gorilla/mux 是编写web处理程序的流行软件包。

godotenv 可以从我们项目的根目录的 .env 文件中读取数据。

事实上如果你打算做公链开发相关，这三个依赖是一直都要用的

在git里分别输入

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

$ go get github.com/gorilla/mux

$ go get github.com/joho/godotenv

友情提示这里会遇到一个很尴尬的问题， bash: $'\302\226go‘：   command notfound ，这个错误是这样的

只是因为你多加了一个空格在前面，删掉空格就好了，亲测有效

好了我们继续，安装后环境之后呢

新建一个文件，叫.env，里面输入ADDR=8080，这是调用8080端口的意思，win环境下的话，会提示你必须键入文件名，所以我们将文件名修改成.env.   就可以创建.env这种.开头的文件了。

再建一个文件叫，mian.go。这就是咱们的“源码”了，打开它开始编程。

首先是引入相应的包 ，来咱们逐个解释一下

package main  /*定义报名，package main表示一个可独立执行的程序，每个 Go 应用程序都包含一个名为 main 的包 */

import( //导入包（的函数或者其他元素）

"crypto/sha256" /* 软件包sha256 实现FIPS 180-4 中定义的 SHA224 和 SHA256哈希算法。*/

"encoding/hex" //包十六进制实现十六进制编码和解码。

"encoding/json" /* 包json实现了RFC 4627中定义的JSON的编码和解码。JSON和Go值之间的映射在Marshal和 Unmarshal函数的文档中进行了描述。有关此包的介绍，请参阅“JSON和Go”： https://golang.org/doc/articles/json_and_go.html */

"fmt"  /* fmt 包使用函数实现 I/O 格式化（类似于 C 的 printf 和 scanf 的函数）, 格式化参数源自C，但更简单 */

"io" /* Package io 为 I/O 原语提供基本接口。它的主要工作是将这些原语的现有实现（例如包 os 中的那些原语）包装到抽象功能的共享公共接口中，以及一些其他相关原语中 */

"log" /* Log包实现了一个简单的日志包。它定义了一个类型，记录器，用于格式化输出的方法。它还有一个预定义的“standard”记录器，可以通过帮助函数 Printf|ln，Fatalf|ln 和 Panicf|ln 访问，比手动创建记录器更易于使用。该记录器写入标准错误并打印每条记录的消息的日期和时间。每条日志消息都在一个单独的行上输出：如果正在打印的消息不以换行符结尾，则记录器将添加一条。写入日志消息后，致命函数调用 os.Exit(1) 。写入日志消息后， Panic 函数调用 panic */

"net/http" //http包提供HTTP客户端和服务器实现

"os" /* Package os为操作系统功能提供了一个平台无关的接口。虽然错误处理类似于 Go，但设计类似 Unix，失败的调用返回类型错误的值而不是错误号  */

"strconv" //包strconv实现了对基本数据类型的字符串表示的转换

"strings" //打包字符串实现简单的函数来操纵 UTF-8 编码的字符串

"sync" /* 程序包 sync 提供基本的同步原语，如互斥锁。除了 Once 和 WaitGroup 类型之外，大多数类型都是供低级库例程使用的。通过 Channel 和沟通可以更好地完成更高级别的同步 */

"time" //打包时间提供了测量和显示时间的功能。日历计算总是假定公历，没有闰秒

"github.com/davecgh/go-spew/spew" //这三就是刚才那三个倒霉孩子

"github.com/gorilla/mux"

"github.com/joho/godotenv"

)

定义一下区块中有的

const difficulty = 1 /*difficulty 代表难度系数，如果赋值为 1，则需要判断生成区块时所产生的Hash 前缀至少包含1个 0 */

type Block struct //Block 是我们定义的结构体，它代表组成区块链的每一个块的数据模型

{

Index int //区块链中数据记录的位置

Timestamp string //时间戳，是自动确定的，并且是写入数据的时间

Bike int /*假定我们现在做的是一个共享单车的区块链，Bike就是一定区域内的自行车数量*/

Hash string //是代表这个数据记录的SHA256标识符

 PrevHash string //是链中上一条记录的SHA256标识符

 Difficulty int //挖矿的难度

  Nonce string //PoW中符合条件的数字

}

var Blockchain []Block  // 存放区块数据

type Message struct{ // 定义结构体，请求的数据

Bike int

}

var mutex = &sync.Mutex{} //用sync防止同一时间产生多个区块

定义完成之后，就是该生成区块了

func generateBlock(oldBlock Block, Bike int)Block {  //定义函数

var newBlock Block //新区块

t := time.Now()

newBlock.Index = oldBlock.Index + 1 //区块的增加，index也加一

 newBlock.Timestamp = t.String() //时间戳

newBlock.Bike = Bike 

newBlock.PrevHash = oldBlock.Hash  //新区块的PrevHash存储上一个区块的Hash

newBlock.Difficulty = difficulty

for i := 0; ; i++ { //通过循环改变 Nonce

hex := fmt.Sprintf("%x", i)

newBlock.Nonce= hex //选出符合难度系数的Nonce

if !isHashValid(calculateHash(newBlock),newBlock.Difficulty) {  

//判断Hash的0的个数，是否与难度系数一致

fmt.Println(calculateHash(newBlock), " do morework!") //挖矿中

time.Sleep(time.Second)

continue

} else {

 fmt.Println(calculateHash(newBlock), " workdone!") //挖矿成功

newBlock.Hash = calculateHash(newBlock)

break

}

}

return newBlock

}

接着定义之前提到的isHashValid函数，这个函数的作用是判断Hash的0的个数，是否与难度系数一致

func isHashValid(hash string, difficulty int) bool {

prefix := strings.Repeat("0",difficulty) //复制 difficulty 个0，并返回新字符串，当 difficulty 为 4 ，则 prefix 为 0000

return strings.HasPrefix(hash, prefix ) // 判断字符串 hash 是否包含前缀 prefix

}

接着，我们要开始生成Hash值

func calculateHash(block Block) string {

record:=strconv.Itoa(block.Index)+block.Timestamp+strconv.Itoa(block.BPM)+block.PrevHash+ block.Nonce

h := sha256.New()

h.Write([]byte(record))

hashed := h.Sum(nil)

return hex.EncodeToString(hashed)

}

Hash值完成之后，我们就要来验证区块了，定义一个isBlockValid函数

func isBlockValid(newBlock, oldBlock Block) bool {

ifoldBlock.Index+1 != newBlock.Index { 

return false //确认Index的增长正确 

 } //双重否定（笑）

if oldBlock.Hash != newBlock.PrevHash {

return false //确认PrevHash与前一个块的Hash相同   

}

if calculateHash(newBlock) != newBlock.Hash { 

//在当前块上 calculateHash 再次运行该函数来检查当前块的Hash

return false

}

return true

} 

ok，区块的定义到此就告一段落，接下来我们需要定义web服务器方面

func run() error { //run函数作为启动http服务器的函数

mux := makeMuxRouter() 

//makeMuxRouter 主要定义路由处理

httpAddr := os.Getenv("ADDR") //.env

log.Println("Listening on ",os.Getenv("ADDR"))

s := &http.Server{

Addr: ":" +httpAddr,  

Handler: mux,

ReadTimeout: 10 * time.Second,

WriteTimeout: 10 * time.Second,

MaxHeaderBytes: 1<<20,

}

if err := s.ListenAndServe(); err != nil {

return err

}

return nil

}

func makeMuxRouter() http.Handler {

muxRouter :=mux.NewRouter()

muxRouter.HandleFunc("/",handleGetBlockchain).Methods("GET")

//当收到GET请求，调用handleGetBlockchain函数

muxRouter.HandleFunc("/",handleWriteBlock).Methods("POST")

//当收到POST请求，调用handleWriteBlock函数

  return muxRouter

}

接下来，就是需要在服务器这边，遍历，就是获取所有区块的列表信息，主要作用当然还是处理HTTP的GET请求

func handleGetBlockchain(w http.ResponseWriter, r*http.Request) {

//处理HTTP的GET请求

bytes, err := json.MarshalIndent(Blockchain,"", " ")

if err != nil {

http.Error(w, err.Error(), http.StatusInternalServerError) return

}

io.WriteString(w, string(bytes))

}

handleWriteBlock 主要是生成新的区块，以及处理HTTP的GET请求

func handleWriteBlock(w http.ResponseWriter, r*http.Request) {

w.Header().Set("Content-Type","application/json")

var m Message //当服务器错误，返回相应信息

decoder :=json.NewDecoder(r.Body)

i f err := decoder.Decode(&m); err != nil {

respondWithJSON(w, r, http.StatusBadRequest, r.Body)

return

}

defer r.Body.Close()  

 mutex.Lock() //产生区块

newBlock :=generateBlock(Blockchain[len(Blockchain)-1],m.BPM)

mutex.Unlock() //判断区块的合法性

ifisBlockValid(newBlock, Blockchain[len(Blockchain)-1]) {

//通过数组维护区块链

Blockchain =append(Blockchain, newBlock)

spew.Dump(Blockchain)

}

respondWithJSON(w, r, http.StatusCreated, newBlock)

}

错误部分

func respondWithJSON(w http.ResponseWriter, r*http.Request, code int, payload interface{}) {

w.Header().Set("Content-Type", "application/json")

response, err := json.MarshalIndent(payload,"", " ") 

if err != nil {

w.WriteHeader(http.StatusInternalServerError)

 w.Write([]byte("HTTP500: Internal Server Error")) return /*如果出错，返回服务器500错误*/

}

w.WriteHeader(code)

w.Write(response)

}

然后是主函数

func main() {

err := godotenv.Load()  //允许我们读取.env

if err != nil {

log.Fatal(err)

}

go func() {

t := time.Now()

genesisBlock := Block{} //此乃创世区块

genesisBlock= Block{0, t.String(), 0, calculateHash(genesisBlock), "",difficulty, ""}

spew.Dump(genesisBlock)

mutex.Lock()

Blockchain = append(Blockchain, genesisBlock)

mutex.Unlock() }()

log.Fatal(run()) //启动web服务

}

到这里main.go就写完了，我们开始测试
首先打开cmd...命令行工具，进入mian.go所在的目录

然后运行代码，go run main.go

我们可以看到区块信息，当然仅有一个区块肯定是不够的，运算和验证都无法完成，这时我们打开Postman，一个很好用的测试API接口的工具，我们在Postman里使用POST方式访问localhost:8080,因为.env文件调用的是8080端口有，随后在body里的raw，因为我们是共享单车类的，所以修改Bike的值为100。

保存，让我们看看命令行这边会不会开始挖矿。

可以看到一次就完成了word done的挖矿成功，是因为我们的运气真是非常之好，如果在挖比特币的时候也这么好运就。。。好因为这一次的巧合，不能算在成功的测试，我们再来一次，将Bike的值修改为120。

然后返回命令行

可以看到这次呢，就经过了非常多的运算才完成挖矿，三个区块都有，让我们验证一下

可以看到index的值分别是0，1，2.自增了1，而且第二块的PrevHash值正是第一块的Hash值，第三块同理。

到这里我们就算是完成了PoW机制的实现。

这里放一下统一的源码吧，是没有注释的版本

https://github.com/redshround/PoW ，ok就这个网址

这里推荐几个好的go语言学习教程，适合萌新的学习

http://www.runoob.com/go/go-tutorial.html ，菜鸟教程的名号大家应该都听过，有比较统一完善的教程，基础实战在线编译一气呵成

https://studygolang.com ，GO语言中文网，这里聚集了很多GO语言的学习者和开发者，都有不同风格的教程，也可以直接和大佬们交流

http://c.biancheng.net/golang ，C语言中文网的Golang部分，凑活能用

https://www.jianshu.com/p/226c80c481a1 ，简书上的一个很不错的博客，全是实战案例，适合学习了一段时间求成的开发者

在以后的日子里，会逐渐更新go语言实现其他的共识机制，到最后会讲到，完全由自己实现的一条公链，敬请期待关注。

作者：张详，闫思

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