用Rust实现区块链 - 6 点对点网络(P2P)

截止到目前，我们在单机上实现了区块链的几乎所有关键特性：随机生成的地址、安全、持久化、工作量证明、UTXO交易。接下来我们将使用rust-libp2p库来实现区块链的p2p网络。

P2P网络

P2P 网络拓扑结构有很多种，有些是中心化拓扑，有些是半中心化拓扑，有些是全分布式拓扑结构。

区块链网络中的全节点就是全分布式拓扑结构，即去中心化的，端到端的网络，节点直接连接到其他节点，它的拓扑结构是扁平的。

SPV节点(简单支付验证节点)，随机选择一个全节点进行连接，依赖这个全节点来获取数据,更接近半中心化的拓扑结构。

在这里我们先实现全节点，后面再逐渐完善矿工节点和SPV节点，在本地网络中通过 MDNS 做节点发现，使用 Gossip协议做消息传播。

数据结构

Node

Node节点的功能包括启动P2P网络节点的消息监听，处理来自命令行的命令消息及其他节点的请求消息。

pub struct Node<T = SledDb> {
    bc: Blockchain<T>,
    utxos: UTXOSet<T>,
    msg_receiver: mpsc::UnboundedReceiver<Messages>,
    swarm: Swarm<BlockchainBehaviour>,
}

bc：区块链
utxos：UTXO集合
msg_receiver：通道的接收端，接收其他节点的请求消息。
swarm：rust-libp2p的Swarm

BlockchainBehaviour

接收到其他节点的请求消息

#[derive(NetworkBehaviour)]
#[behaviour(event_process = true)]
pub struct BlockchainBehaviour {
    pub gossipsub: Gossipsub,
    pub mdns: Mdns,
    #[behaviour(ignore)]
    pub msg_sender: mpsc::UnboundedSender<Messages>,
}

gossipsub：使用 Gossip协议做消息传播
mdns：节点发现
msg_sender：接收到其他节点的请求消息后，发送到通道中。

命令行消息

#[derive(Debug, Serialize, Deserialize)]
pub enum Commands {
    Genesis(String),
    Blocks(String),
    Sync(String),
    CreateWallet(String),
    GetAddress(String),
    Trans {
        from: String,
        to: String,
        amount: String,
    },
}

Genesis：创建区块链
Blocks：显示区块链信息
Sync：同步区块
CreateWallet：创建钱包
GetAddress：获取地址
Trans：创建交易

节点消息

#[derive(Debug, Serialize, Deserialize)]
pub enum Messages {
    Version {
        best_height: usize,
        from_addr: String,
    },
    Blocks {
        blocks: Vec<Block>,
        height: usize,
        to_addr: String,
    },
    Block {
        block: Block,
    }
}

Version：向其他节点发送本地节点的区块链高度，同步本地节点。
Blocks：向其他节点发送本地区块链信息。
Block：向其他节点发送新加入的区块。

消息处理

无论是命令行消息，还是节点消息都采用serde_json进行序列化处理。

创建区块链

Commands::Genesis(addr) => {
    if self.bc.get_tip().is_empty() {
        self.bc.create_genesis_block(addr.as_str());
        self.utxos.reindex(&self.bc)?;
        info!("Genesis block was created success!");
    }else {
        info!("Already exists blockchain, don't need genesis block!");
        continue;
    }
},

同步区块

处理命令行的同步命令

async fn sync(&mut self) -> Result<()> {
    let version = Messages::Version { 
        best_height: self.bc.get_height(), 
        from_addr: PEER_ID.to_string(),
    };
    
    let line = serde_json::to_vec(&version)?;
    self.swarm.behaviour_mut().gossipsub
        .publish(BLOCK_TOPIC.clone(), line).unwrap();

    Ok(())
}

节点接收到Version消息，如果本地区块链的高度大于其他节点的高度，则向其发送区块链信息。

async fn process_version_msg(&mut self, best_height: usize, from_addr: String) -> Result<()> {
    if self.bc.get_height() > best_height {
        let blocks = Messages::Blocks { 
            blocks: self.bc.get_blocks(),
            height: self.bc.get_height(),
            to_addr: from_addr,
        };
        let msg = serde_json::to_vec(&blocks)?;
        self.swarm.behaviour_mut().gossipsub
            .publish(BLOCK_TOPIC.clone(), msg).unwrap();
    }
    Ok(())
}

节点接收到区块链信息后，同步到本地节点。

async fn process_blocks_msg(&mut self, blocks: Vec<Block>, to_addr: String, height: usize) -> Result<()> {
    if PEER_ID.to_string() == to_addr && self.bc.get_height() < height {
        for block in blocks {
            self.bc.add_block(block)?;
        }

        self.utxos.reindex(&self.bc).unwrap();
    }
    Ok(())
}

创建交易、挖矿

由于是全节点，为了简便，在这里交易的创建与挖矿放在一起处理了。

async fn mine_block(&mut self, from: &str, to: &str, amount: i32) -> Result<()> {
    let tx = Transaction::new_utxo(from, to, amount, &self.utxos, &self.bc);
    let txs = vec![tx];
    let block = self.bc.mine_block(&txs);
    self.utxos.reindex(&self.bc).unwrap();

    let b = Messages::Block { block };
    let line = serde_json::to_vec(&b)?;
    self.swarm.behaviour_mut().gossipsub
        .publish(BLOCK_TOPIC.clone(), line).unwrap();        
    Ok(())
}

验证

启动第一个节点

RUST_LOG=info cargo run --quiet  server data
Local peer id: PeerId("12D3KooWHn6sTgQU7bwKfPQHXi2oo4dDUEneoVFWtfur7bufXuZ7")
Listening on "/ip4/127.0.0.1/tcp/53664"

执行命令后，可以看到节点已经启动，生成了唯一的节点ID，在本地53664端口监听消息。

1，查看区块链信息

{"Blocks":""}
INFO blockchain_rust_part_6::networks::node: tip: 
INFO blockchain_rust_part_6::networks::node: height: 0

可以看到这个节点上还没有区块链。

2，创建一个用户的钱包地址

{"CreateWallet":"justin"} 
INFO blockchain_rust_part_6::networks::node: justin's address is 1KooomKwhgPCfB2YfnKT7yMUxGcVWqS3ns

地址已经创建，我们把这个地址记录下来。

3，下面执行创建区块链命令

{"Genesis":"1KooomKwhgPCfB2YfnKT7yMUxGcVWqS3ns"}
INFO blockchain_rust_part_6::networks::node: Genesis block was created success!

区块链创建成功。

再次查看

{"Blocks":""}
INFO blockchain_rust_part_6::blocks::blockchain: Block {
    header: BlockHeader {
        ......
    },
    tranxs: [
        Transaction {
            id: "24cde4a1782d23fda6ec353959f9197450078a1d79126c82e83898d92015ec96",
            vin: [
                Txinput {
                    txid: "",
                    vout: 0,
                    signature: [],
                    pub_key: [],
                },
            ],
            vout: [
                Txoutput {
                    value: 10,
                    pub_key_hash: [
                        ......
                    ],
                },
            ],
        },
    ],
    hash: "00ca23fdb684b0ebf29eb344e2f9c1ee2ba8325aceba8a7474dbcb77549a2bc9",
}
INFO blockchain_rust_part_6::networks::node: tip: 00ca23fdb684b0ebf29eb344e2f9c1ee2ba8325aceba8a7474dbcb77549a2bc9
INFO blockchain_rust_part_6::networks::node: height: 1

启动第二个节点

RUST_LOG=info cargo run --quiet server data1
PeerId("12D3KooWDknz5ScSw8Ye2ULheq3DHUexhRkH9z1y7N7a27XyWphs")
Listening on "/ip4/127.0.0.1/tcp/53891"

第二个节点节点启动成功，生成了唯一的节点ID，在本地53891端口监听消息。

1，查看区块链信息

{"Blocks":""}
INFO blockchain_rust_part_6::networks::node: tip: 
INFO blockchain_rust_part_6::networks::node: height: 0

在第二个节点上还没有区块链。

2，同步区块链

{"Sync":""}
INFO blockchain_rust_part_6::networks::behaviour: Got message with id: 37343836383930393039373131393933343631 from peer: PeerId("12D3KooWHn6sTgQU7bwKfPQHXi2oo4dDUEneoVFWtfur7bufXuZ7")

从第一个节点：12D3KooWHn6sTgQU7bwKfPQHXi2oo4dDUEneoVFWtfur7bufXuZ7，同步区块链成功。

再次查看

{"Blocks":""}
Apr 19 14:00:53.136  INFO blockchain_rust_part_6::blocks::blockchain: Block {
    header: BlockHeader {
        ......
    },
    tranxs: [
        Transaction {
            id: "24cde4a1782d23fda6ec353959f9197450078a1d79126c82e83898d92015ec96",
            vin: [
                Txinput {
                    txid: "",
                    vout: 0,
                    signature: [],
                    pub_key: [],
                },
            ],
            vout: [
                Txoutput {
                    value: 10,
                    pub_key_hash: [
                       ......
                    ],
                },
            ],
        },
    ],
    hash: "00ca23fdb684b0ebf29eb344e2f9c1ee2ba8325aceba8a7474dbcb77549a2bc9",
}
Apr 19 14:00:53.136  INFO blockchain_rust_part_6::networks::node: tip: 00ca23fdb684b0ebf29eb344e2f9c1ee2ba8325aceba8a7474dbcb77549a2bc9
Apr 19 14:00:53.137  INFO blockchain_rust_part_6::networks::node: height: 1

与第一个节点的区块链一致。

启动第三个节点，步骤同第二个节点

创建交易

1，在第二个节点创建一个用户的钱包地址

{"CreateWallet":"Bob"}
INFO blockchain_rust_part_6::networks::node: Bob's address is 1EuM1UEhJFTDR5UfWzfghzv82bCdwRWk9E

2，在第一个节点创建交易

由Justin向Bob发送4单位货币

{"Trans": {"from":"1KooomKwhgPCfB2YfnKT7yMUxGcVWqS3ns","to":"1EuM1UEhJFTDR5UfWzfghzv82bCdwRWk9E","amount":"4"}}

3，在所有节点查看区块链信息

{"Blocks":""}
Apr 19 14:11:38.410  INFO blockchain_rust_part_6::blocks::blockchain: Block {
    header: BlockHeader {
        ......
    },
    tranxs: [
        Transaction {
            id: "1578eda9b3ba5f5be584ddb65389ac5172befa1ba50cf03a90fcdafdb5ce4bea",
            vin: [
                Txinput {
                    txid: "24cde4a1782d23fda6ec353959f9197450078a1d79126c82e83898d92015ec96",
                    vout: 0,
                    signature: [
                       ......
                    ],
                    pub_key: [
                       ......
                    ],
                },
            ],
            vout: [
                Txoutput {
                    value: 4,
                    pub_key_hash: [
                        ......
                    ],
                },
                Txoutput {
                    value: 6,
                    pub_key_hash: [
                        ......
                    ],
                },
            ],
        },
    ],
    hash: "0056d99918490fd8d650d247722234c1d17f18d9073a39d2eacb16550d9737df",
}
Apr 19 14:11:38.411  INFO blockchain_rust_part_6::blocks::blockchain: Block {
    header: BlockHeader {
        ......
    },
    tranxs: [
        Transaction {
            id: "24cde4a1782d23fda6ec353959f9197450078a1d79126c82e83898d92015ec96",
            vin: [
                Txinput {
                    txid: "",
                    vout: 0,
                    signature: [],
                    pub_key: [],
                },
            ],
            vout: [
                Txoutput {
                    value: 10,
                    pub_key_hash: [
                        ......
                    ],
                },
            ],
        },
    ],
    hash: "00ca23fdb684b0ebf29eb344e2f9c1ee2ba8325aceba8a7474dbcb77549a2bc9",
}
INFO blockchain_rust_part_6::networks::node: tip: 0056d99918490fd8d650d247722234c1d17f18d9073a39d2eacb16550d9737df
INFO blockchain_rust_part_6::networks::node: height: 2

所有节点都已经同步了区块信息。

工程结构

完整代码：

https://github.com/Justin02180218/blockchain_rust

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