技术 | 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 这个网站。

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，（https://git-scm.com/downloads）这个网址。

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 not found，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。
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 more work!")//挖矿中

 time.Sleep(time.Second)

                                           continue

                                } else {

 fmt.Println(calculateHash(newBlock), " work done!")  //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 {

        if oldBlock.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)

                   if 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

                   if isBlockValid(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("HTTP 500: 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。

 

（作者：IDC大学，内容来自链得得内容开放平台“得得号”；本文仅代表作者观点，不代表链得得官方立场）