Go語言實現PoW共識演算法（詳解）
PoW呢...Proof of Work ，工作量證明機制，可能這個名字大家不熟悉，說比特幣的話，大家就熟悉了吧
通過計算一個數值（ nonce ），使得拼揍上交易資料後內容的 Hash 值滿足規定的上限。在節點成功找到滿足的Hash值之後，會馬上對全網進行廣播打包區塊，網路的節點收到廣播打包區塊，會立刻對其進行驗證。
如果驗證通過，則表明已經有節點成功解迷，自己就不再競爭當前區塊打包，而是選擇接受這個區塊，記錄到自己的賬本中，然後進行下一個區塊的競爭猜謎。 網路中只有最快解謎的區塊，才會新增的賬本中，其他的節點進行復制，這樣就保證了整個賬本的唯一性。
假如節點有任何的作弊行為，都會導致網路的節點驗證不通過，直接丟棄其打包的區塊，這個區塊就無法記錄到總賬本中，作弊的節點耗費的成本就白費了，因此在巨大的挖礦成本下，也使得礦工自覺自願的遵守比特幣系統的共識協議，也就確保了整個系統的安全。
舉個例子啊。栗子
舉個例子，給定的一個基本的字串”Hello, world!”，我們給出的工作量要求是，可以在這個字串後面新增一個叫做nonce的整數值，對變更後（新增nonce)的字串進行SHA256雜湊運算，如果得到的雜湊結果（以16進位制的形式表示）是以”0000”開頭的，則驗證通過。為了達到這個工作量證明的目標。我們需要不停的遞增nonce值，對得到的新字串進行SHA256雜湊運算。按照這個規則，我們需要經過4251次計算才能找到恰好前4位為0的雜湊雜湊。
如圖所示，大概是浙個樣子滴
然後我們今天呢，就用Go語言來實現它。
話不多說，首先從環境搭建教起，對，沒錯，就這個網址，
選擇你需要的，筆者話，選擇的是go1.9.2windows-amd64.msi，下載後傻瓜式操作，環境不用配置直接就能用的，這裡展示一下
這樣的話就妥了，然後呢，下載git，這次是這個網址了
下載後開啟，安裝我們本次所需要的三個第三方庫，spew，gorilla/mux，godotenv，這三倒黴孩子有什麼用呢
spew 在控制檯中格式化輸出相應的結果。
gorilla/mux 是編寫web處理程式的流行軟體包。
godotenv 可以從我們專案的根目錄的 .env
事實上如果你打算做公鏈開發相關，這三個依賴是一直都要用的
在git裡分別輸入
$ go get github.com/davecgh/go-spew/spew
$ go get github.com/gorilla/mux
$ go get github.com/joho/godotenv
友情提示這裡會遇到一個很尷尬的問題，bash: $'\302\226go‘： command not found，這個錯誤你猜為啥
只是因為你多加了一個空格在前面而已ummm
好了我們繼續，安裝後環境之後呢
新建一個檔案，叫.env，裡面填ADDR=8080，這是呼叫8080埠的意思，win環境下的話，會提示你必須鍵入檔名，所以我們將檔名修改成.env. 就可以建立.env這種.開頭的檔案了。
再建一個檔案叫，mian.go。這就是咱們的“原始碼”了，開啟它開始程式設計
首先是引入相應的包 ，來咱們逐個解釋一下
package main //定義報名，package main表示一個可獨立執行的程式，每個 Go 應用程式都包含一個名為 main 的包
import //匯入包（的函式或者其他元素）
(
"crypto/sha256" //軟體包sha256 實現 FIPS 180-4 中定義的 SHA224 和 SHA256 雜湊演算法。
"encoding/hex" //包十六進位制實現十六進位制編碼和解碼。
"encoding/json" /* 包json實現了RFC 4627中定義的JSON的編碼和解碼。JSON和Go值之間的對映在Marshal和 Unmarshal函式的文件中進行了描述。
有關此包的介紹，請參閱“JSON和Go”：https：//golang.org/doc/articles/json_and_go.html */
"fmt" // fmt 包使用函式實現 I/O 格式化（類似於 C 的 printf 和 scanf 的函式）, 格式化引數源自C，但更簡單
"io" /* Package io 為 I/O 原語提供基本介面。它的主要工作是將這些原語的現有實現（例如包 os 中的那些 原語）包裝到抽象功能的共享公共介面中，以及一些其他相關原語中 */
"log" /* Log 包實現了一個簡單的日誌包。它定義了一個型別，記錄器，用於格式化輸出的方法。它還有一個 預定義的“standard”記錄器，可以通過幫助函式 Printf|ln，Fatalf|ln 和 Panicf|ln 訪問，比手動建立記錄 器更易於使用。該記錄器寫入標準錯誤並列印每條記錄的訊息的日期和時間。每條日誌訊息都在一個單 獨的行上輸出：如果正在列印的訊息不以換行符結尾，則記錄器將新增一條。寫入日誌訊息後，致命函 數呼叫 os.Exit(1) 。寫入日誌訊息後， Panic 函式呼叫 panic */
"net/http" //http包提供HTTP客戶端和伺服器實現
"os" /* Package os為作業系統功能提供了一個平臺無關的介面。雖然錯誤處理類似於 Go，但設計類似 Unix，失敗的呼叫返回型別錯誤的值而不是錯誤號 */
"strconv" //包strconv實現了對基本資料型別的字串表示的轉換
"strings" //打包字串實現簡單的函式來操縱 UTF-8 編碼的字串
"sync" /* 程式包 sync 提供基本的同步原語，如互斥鎖。除了 Once 和 WaitGroup 型別之外，大多數型別都是 供低階庫例程使用的。通過 Channel 和溝通可以更好地完成更高級別的同步 */
"time" // 打包時間提供了測量和顯示時間的功能。日曆計算總是假定公曆，沒有閏秒
"github.com/davecgh/go-spew/spew" //這三就是剛才那三個倒黴孩子
"github.com/gorilla/mux"
"github.com/joho/godotenv"
)
定義一下區塊中有的
const difficulty = 1 //
difficulty代表難度係數，如果賦值為1，則需要判斷生成區塊時所產生的 Hash 字首至少包含1個0type Block struct //
Block是我們定義的結構體，它代表組成區塊鏈的每一個塊的資料模型 {Index int //區塊鏈中資料記錄的位置
Timestamp string //時間戳，是自動確定的，並且是寫入資料的時間
Bike int //假定我們現在做的是一個共享單車的區塊鏈，Bike就是一定區域內的自行車數量
Hash string //是代表這個資料記錄的SHA256識別符號
PrevHash string //是鏈中上一條記錄的SHA256識別符號
Difficulty int //挖礦的難度
Nonce string //PoW中符合條件的數字
}
var Blockchain []Block // 存放區塊資料
type Message struct{ // 定義結構體，請求的資料
Bike int
}
var mutex = &sync.Mutex{} //用sync防止同一時間產生多個區塊
定義完成之後，就是該生成區塊了
func generateBlock(oldBlock Block, Bike int) Block { //定義函式generateBlock
var newBlock Block //新區塊
t := time.Now()
newBlock.Index = oldBlock.Index + 1 //區塊的增加，index也加一
newBlock.Timestamp = t.String() //時間戳
newBlock.Bike = Bike
newBlock.PrevHash = oldBlock.Hash //新區塊的PrevHash儲存上一個區塊的Hash
newBlock.Difficulty = difficulty
for i := 0; ; i++ { //通過迴圈改變
Noncehex := fmt.Sprintf("%x", i)
newBlock.Nonce = hex //選出符合難度係數的Nonce
if !isHashValid(calculateHash(newBlock), newBlock.Difficulty) {
//判斷Hash的0的個數，是否與難度係數一致
fmt.Println(calculateHash(newBlock), " do more work!") //挖礦中
time.Sleep(time.Second)
continue
} else {
fmt.Println(calculateHash(newBlock), " work done!") //挖礦成功
newBlock.Hash = calculateHash(newBlock)
break
}
}
return newBlock
}
接著定義之前提到的isHashValid函式，這個函式的作用是判斷Hash的0的個數，是否與難度係數一致
func isHashValid(hash string, difficulty int) bool {
prefix := strings.Repeat("0", difficulty)
//複製
difficulty個0，並返回新字串，當 difficulty 為 4 ，則 prefix 為0000return strings.HasPrefix(hash, prefix) // 判斷字串
hash是否包含字首prefix}
接著，我們要開始生成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值完成之後，我們就要來驗證區塊了，定義一個isBlockValid函式
func isBlockValid(newBlock, oldBlock Block) bool {
if oldBlock.Index+1 != newBlock.Index {
return false //確認Index的增長正確
} //雙重否定（笑）
if oldBlock.Hash != newBlock.PrevHash {
return false //確認PrevHash與前一個塊的Hash相同
}
if calculateHash(newBlock) != newBlock.Hash {
//在當前塊上
calculateHash再次執行該函式來檢查當前塊的Hashreturn false
}
return true
}
ok，區塊的定義到此就告一段落，接下來我們需要定義web伺服器方面
func run() error { //run函式作為啟動http伺服器的函式
mux := makeMuxRouter() //
makeMuxRouter主要定義路由處理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")
//當收到GET請求，呼叫handleGetBlockchain函式
muxRouter.HandleFunc("/", handleWriteBlock).Methods("POST")
//當收到POST請求，呼叫handleWriteBlock函式
return muxRouter
}
接下來，就是需要在伺服器這邊，遍歷，就是獲取所有區塊的列表資訊，主要作用當然還是處理HTTP的GET請求
func handleGetBlockchain(w http.ResponseWriter, r *http.Request) { //處理HTTP的GET請求
bytes, err := json.MarshalIndent(Blockchain, "", " ")
if err != nil {
http.Error(w, err.Error(), http.StatusInternalServerError) return
}
io.WriteString(w, string(bytes))
}
handleWriteBlock 主要是生成新的區塊，以及處理HTTP的GET請求
func handleWriteBlock(w http.ResponseWriter, r *http.Request) {
w.Header().Set("Content-Type", "application/json")
var m Message //當伺服器錯誤，返回相應資訊
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() //產生區塊
newBlock := generateBlock(Blockchain[len(Blockchain)-1],m.BPM)
mutex.Unlock() //判斷區塊的合法性
if isBlockValid(newBlock, Blockchain[len(Blockchain)-1]) { //通過陣列維護區塊鏈 Blockchain = append(Blockchain, newBlock)
spew.Dump(Blockchain)
}
respondWithJSON(w, r, http.StatusCreated, newBlock)
}
錯誤部分
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 //如果出錯，返回伺服器500錯誤 }
w.WriteHeader(code)
w.Write(response)
}
然後是主函式。。。說出來你們可能不信，我已經是第四次做到這裡了，csdn的自動儲存真吉爾坑。。。
func main() {
err := godotenv.Load() //允許我們讀取.env
if err != nil {
log.Fatal(err)
}
go func() {
t := time.Now()
genesisBlock := Block{} //此乃創世區塊
genesisBlock = Block{0, t.String(), 0, calculateHash(genesisBlock), "", difficulty, ""}
spew.Dump(genesisBlock)
mutex.Lock()
Blockchain = append(Blockchain, genesisBlock)
mutex.Unlock() }()
log.Fatal(run()) //啟動web服務
}
okok。。。。第五次了，csdn的自動儲存真。。。牛批，到這裡main.go就寫完了，我們開始測試 首先開啟cmd...命令列工具，進入mian.go所在的目錄
然後執行程式碼，go run main.go
我們可以看到區塊資訊，當然僅有一個區塊肯定是不夠的，運算和驗證都無法完成，這時我們開啟Postman，一個很好用的測試API介面的工具，我們在Postman裡使用POST方式訪問localhost:8080,因為.env檔案呼叫的是8080埠有，隨後在body裡的raw，因為我們是共享單車類的，所以修改Bike的值為100
儲存，讓我們看看命令列這邊會不會開始運算
可以看到一次就完成了word done的挖礦成功，啊我們的運氣真是非常之好，如果在挖比特幣的時候也這麼好運就好了嗯。。。好的因為這一次的巧合，不能算在成功的測試，我們再來一次，將Bike的值修改為120
然後返回命令列
可以看到這次呢，就經過了非常多的運算才完成挖礦，三個區塊都有，讓我們驗證一下
可以看到index的值分別是0，1，2.自增了1，而且第二塊的PrevHash值正是第一塊的Hash值，第三塊同理。
到這裡我們就算是完成了PoW機制的實現，這裡放一下統一的原始碼吧，是沒有註釋的版本
在以後的日子裡，會逐漸更新go語言實現其他的共識機制，到最後會講完全由自己實現的一條公鏈，敬請期待關注
