Rust 实现一个简单的区块链

一、背景

近期用 Rust 实现了 Jeiwan/blockchain_go，与原项目相比没有加入新的功能，只是换了一个编程语言实现了一遍，源码放在 Github 上。

开发这个项目，花费了好几个周末，比较低效，需要反思。中途差点烂尾，被情绪影响，不知道做这件事的意义在哪里，有什么收益，还好坚持了下来。我很佩服原项目的作者，能够持之以恒将一个项目做得那么好，还有完整的文档讲解。循序渐进，代码配合文档，非常清晰易懂。换句话说，作者为了写一篇技术科普文章介绍区块链，捎带用代码写了一个演示案例 ————————— 代码是文档的注释

过去一年里，在学习摄影过程中，了解到美术的一个概念：

临摹：将别人的作品惟妙惟肖地画出来，这祌方法就是临摹。
写生：直接面对实物进行描绘就是写生。
创作：是对现实生活通过观察、体验、研究、分析、选择、加工和提炼后，塑造艺术形象的创造性劳动。

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

临摹是学习、研究和掌握前人绘画经验的一个桥梁，可以使画者获得一定的绘画技巧，为写生奠定基础。写生是不断提高画者对客观事物的感受能力以及绘画技艺的唯嚙径，为创作积累生动的素材，是创作的必经之路。创作则集中体现了画家的绘画功底和综合艺术修养。临摹、写生和创作三者相互依存，互相促进，缺一不可。

我觉得这个概念同样适合于技术领域，甚至任何行业，以技术领域举例：

临摹：学习框架、开源项目的源码，临摹其中的优秀设计，将其用于实际项目。
写生：发现一个需求，根据过往的经验，输出技术方案，完成程序开发工作。
创作：推动技术创新，改变世界，比如：Google 大数据的三大论文。

好啦，前面啰嗦了那么多，究竟想干啥。其实就是临摹这个项目，同时提高学习内容留存率：

通过做实践项目，提高 Rust 编程能力。
学习区块链基本概念，理解 BTC 内部实现原理。

二、区块链概念

注：本文不是区块链科普文章，想看完整的介绍可以看原项目。（中文翻译）

下面简要摘录下里面使用的名词术语：

区块

在区块链中，真正存储有效信息的是区块（block）。而在比特币中，真正有价值的信息就是交易（transaction）。实际上，交易信息是所有加密货币的价值所在。除此以外，区块还包含了一些技术实现的相关信息，比如版本，当前时间戳和前一个区块的哈希。
区块链

本质上，区块链就是一个有着特定结构的数据库，是一个有序，每一个块都连接到前一个块的链表。也就是说，区块按照插入的顺序进行存储，每个块都与前一个块相连。
工作量证明

区块链的一个关键点就是，一个人必须经过一系列困难的工作，才能将数据放入到区块链中。正是由于这种困难的工作，才保证了区块链的安全和一致。此外，完成这个工作的人，也会获得相应奖励（这也就是通过挖矿获得币）。

这个机制与生活现象非常类似：一个人必须通过努力工作，才能够获得回报或者奖励，用以支撑他们的生活。在区块链中，是通过网络中的参与者（矿工）不断的工作来支撑起了整个网络。矿工不断地向区块链中加入新块，然后获得相应的奖励。在这种机制的作用下，新生成的区块能够被安全地加入到区块链中，它维护了整个区块链数据库的稳定性。值得注意的是，完成了这个工作的人必须要证明这一点，即他必须要证明他的确完成了这些工作。

整个 “努力工作并进行证明” 的机制，就叫做工作量证明（proof-of-work）。要想完成工作非常地不容易，因为这需要大量的计算能力：即便是高性能计算机，也无法在短时间内快速完成。另外，这个工作的困难度会随着时间不断增长，以保持每 10 分钟出 1 个新块的速度。在比特币中，这个工作就是找到一个块的哈希，同时这个哈希满足了一些必要条件。这个哈希，也就充当了证明的角色。因此，寻求证明（寻找有效哈希），就是矿工实际要做的事情。
交易

交易（transaction）是比特币的核心所在，而区块链唯一的目的，也正是为了能够安全可靠地存储交易。在区块链中，交易一旦被创建，就没有任何人能够再去修改或是删除它。

由于比特币采用的是 UTXO 模型，并非账户模型，并不直接存在“余额”这个概念，余额需要通过遍历整个交易历史得来。一笔交易由一些输入（input）和输出（output）组合而来。
奖励

挖矿奖励，实际上就是一笔 coinbase 交易。当一个挖矿节点开始挖出一个新块时，它会将交易从队列中取出，并在前面附加一笔coinbase交易。coinbase 交易只有一个输出，里面包含了矿工的公钥哈希。
UTXO 集

Bitcoin Core 存储设计，是将区块存储在 blocks 数据库，将交易输出存储在 chainstate 数据库。其中，chainstate 也就是未花费交易输出的集合，可以理解为 blocks 数据库的未花费交易输出的索引，称之为 UTXO 集。
P2PKH

在比特币中有一个 脚本（Script） 编程语言，它用于锁定交易输出；交易输入提供了解锁输出的数据。它所做的事情就是向一个公钥哈希支付，也就是说，用某一个公钥锁定一些币。这是比特币支付的核心：没有账户，没有资金转移；只有一个脚本检查提供的签名和公钥是否正确。

有了一个这样的脚本语言，实际上也可以让比特币成为一个智能合约平台：除了将一个单一的公钥转移资金，这个语言还使得一些其他的支付方案成为可能。
钱包地址

比特币地址是完全公开的，如果你想要给某个人发送币，只需要知道他的地址就可以了。但是，地址并不是用来证明你是一个“钱包”所有者的信物。实际上，所谓的地址，只不过是将公钥表示成人类可读的形式而已，因为原生的公钥人类很难阅读。在比特币中，你的身份（identity）就是一对（或者多对）保存在你的电脑（或者你能够获取到的地方）上的公钥（public key）和私钥（private key）。比特币基于一些加密算法的组合来创建这些密钥，并且保证了在这个世界上没有其他人能够取走你的币，除非拿到你的密钥。
数字签名

在数学和密码学中，有一个数字签名（digital signature）的概念，算法可以保证：
1. 当数据从发送方传送到接收方时，数据不会被修改；
2. 数据由某一确定的发送方创建；
3. 发送方无法否认发送过数据这一事实。
通过在数据上应用签名算法（也就是对数据进行签名），你就可以得到一个签名，这个签名晚些时候会被验证。生成数字签名需要一个私钥，而验证签名需要一个公钥。签名有点类似于印章，比方说我做了一幅画，完了用印章一盖，就说明了这幅画是我的作品。给数据生成签名，就是给数据盖了章。
区块链网络

区块链特性可以认为是规则（rule），区块链网络就是一个程序社区，里面的每个程序都遵循同样的规则，正是由于遵循着同一个规则，才使得网络能够长存。

区块链网络是去中心化的，这意味着没有服务器，客户端也不需要依赖服务器来获取或处理数据。在区块链网络中，有的是节点，每个节点是网络的一个完全（full-fledged）成员。节点就是一切：它既是一个客户端，也是一个服务器。这一点需要牢记于心，因为这与传统的网页应用非常不同。

区块链网络是一个 P2P（Peer-to-Peer，端到端）的网络，即节点直接连接到其他节点。它的拓扑是扁平的，因为在节点的世界中没有层级之分。
节点角色

尽管节点具有完备成熟的属性，但是它们也可以在网络中扮演不同角色。比如：
1. 矿工这样的节点运行于强大或专用的硬件（比如 ASIC）之上，它们唯一的目标是，尽可能快地挖出新块。矿工是区块链中唯一可能会用到工作量证明的角色，因为挖矿实际上意味着解决 PoW 难题。在权益证明 PoS 的区块链中，没有挖矿。
2. 全节点 这些节点验证矿工挖出来的块的有效性，并对交易进行确认。为此，他们必须拥有区块链的完整拷贝。同时，全节点执行路由操作，帮助其他节点发现彼此。对于网络来说，非常重要的一段就是要有足够多的全节点。因为正是这些节点执行了决策功能：他们决定了一个块或一笔交易的有效性。
3. SPV SPV 表示 Simplified Payment Verification，简单支付验证。这些节点并不存储整个区块链副本，但是仍然能够对交易进行验证（不过不是验证全部交易，而是一个交易子集，比如，发送到某个指定地址的交易）。一个 SPV 节点依赖一个全节点来获取数据，可能有多个 SPV 节点连接到一个全节点。SPV 使得钱包应用成为可能：一个人不需要下载整个区块链，但是仍能够验证他的交易。

三、节点网络事件

注：下面是一个简化的网络模型，用于模拟多节点网络。笔者没有研究过 BTC 的P2P网络，不了解真实的P2P网络通讯过程。

在简化后的网络模型中，节点之间采用异步消息通信机制。将每个消息称为网络事件，梳理的事件机制如下：

四、项目介绍

源码地址：https://github.com/ZuoFuhong/blockchain_rust

前面提到，Rust 实现的版本，仅仅是编程语言不同于原项目，其它的逻辑均是一致的。如果您阅读过源码，还是会发现一丢丢的不同。

单元测试：Rust 编码有个很爽的点，就是可以在同一个源码文件中写单元测试，运行单元测试。不用像 Golang 那样需要在不同文件中切换。所以可以看到，项目源码中有着非常多的单元测试。
命令行程序：由于语言上的差异，命令行的实现差异较大，可以看到 Rust 的版本使用因语言特性，使用属性宏整体更加简洁。
区块链 db / 钱包文件：区块数据和钱包数据会持久化到磁盘上，相比原项目，Rust 的版本没有给文件打上端口号，减少源码阅读干扰。

五、开始游戏

我很乐于将 BTC 称之为游戏，每个节点有自己的身份角色，也可以切换角色。通过网络，大家遵守着同样的游戏规则。玩家穿行于虚拟和现实，在现实世界中赚取游戏中的虚拟货币，用游戏中的虚拟货币进行现实消费。Wow! That's totally awesome!

好啦，现在开始一场游戏吧 !

1.在同一台机器上，使用三个不同的端口，模拟三个节点：

其中：

node1: 中心节点
node2: 钱包节点
node3: 矿工节点

2.在 node1 中心节点下创建一个钱包和一个新的区块链

生成一个仅包含创世块的区块链，并在其他节点使用。创世块承担了一条链标识符的角色（在 Bitcoin Core 中，创世块是硬编码的）

其中：

钱包地址：1QAjnwyGZL3woxUvzhdVePyjThtxQYpogL
创世块 hash：00e2b7601305ffe6ac39a7272324d42d3de2cf6f68129c9f555127c8ccb94b7f

3.接下来，在 node2 钱包节点生成一些钱包地址，我们称这些地址叫做：

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

4.在 node1 中心节点，向钱包地址发一些币：

其中：

# 创世块矿工地址，向 WALLET_1 发 10 个币

$ blockchain_rust send ${CENTREAL_NODE} ${WALLET_1} 10 1

# 创世块矿工地址，向 WALLET_2 发 10 个币

$ blockchain_rust send ${CENTREAL_NODE} ${WALLET_2} 10 1

5.在 node1 中心节点，运行节点

$ blockchain_rust startnode

6.在 node2 钱包节点，运行节点

$ blockchain_rust startnode

它会从中心节点（node1）下载所有区块。为了检查一切正常，暂停节点运行并检查余额：

$ blockchain_rust getbalance ${WALLET_1}

Balance of 'WALLET_1': 10

$ blockchain_rust getbalance ${WALLET_2}

Balance of 'WALLET_2': 10

7.在 node3 矿工节点中生成一个钱包地址。初始化区块链：

# 将钱包地址，作为矿工钱包

$ blockchain_rust startnode ${MINER_WALLET}

其中：

钱包地址：1EwpTmQ941b1B7VMxzbVXvc8CrXR89dNXM

8.在 node2 钱包节点，发送一些币：

# WALLET_1 地址，向 WALLET_3 发 2 个币

$ blockchain_rust send ${WALLET_1} ${WALLET_3} 2 0

# WALLET_2 地址，向 WALLET_3 发 3 个币

$ blockchain_rust send ${WALLET_2} ${WALLET_3} 3 0

迅速切换到矿工节点（node3），你会看到挖出了一个新块！同时，检查中心节点（node1) 的输出。

9.切换到 node2 钱包节点并启动

它会下载最近挖出来的块！

暂停节点并检查余额：

Done !