使用Geth 构建以太坊区块链并模拟挖矿过程
使用Geth 构建以太坊区块链并模拟挖矿过程
Go-ethereum 是以太坊官方的一个Golang 实现，我们可以使用Geth 工具来创建创世区块并启动区块链，使用Clef 实现以太坊钱包的功能，以及使用evm、puppeth 用来以太坊开发。本次我们使用Geth，在两台Host 上，创建一条以太坊区块链和两个账户，并进行区块链的一些基本操作。
我的网络环境中，Host1 的IP 地址为192.168.0.100，Host2 的IP 地址为192.168.0.180
本文绝大多数参考资料来源于Geth Documentation，在官方的文档里可以找到诸如Geth 安装使用、如何产生私有区块链、JSON-RPC APIs 的使用方法等，
1. 获得 Geth
Geth 在各个平台都可用，直接从https://geth.ethereum.org/docs/install-and-build/installing-geth 获取即可
在Windows 上，安装Geth，我们会获得几个可执行程序：
Directory: C:\Users\sun\Desktop\geth
Mode LastWriteTime Length Name
---- ------------- ------ ----
-a--- 2020/12/11 16:17 50280980 abigen.exe
-a--- 2020/12/11 16:17 48783481 bootnode.exe
-a--- 2020/12/11 16:17 63922102 clef.exe
-a--- 2020/12/11 16:18 49921889 evm.exe
-a--- 2020/12/11 16:18 67456679 geth.exe
-a--- 2020/12/11 16:18 26165842 puppeth.exe
-a--- 2020/12/11 16:18 2512896 rlpdump.exe
其中Geth 理论上已经被写进Path，在任何位置打开shell 都可用。
2. 准备
新建一个privatechain1文件夹，用来保存我们第一个区块链。geth需要一个创世配置文件genisis.json，来创建区块链，例如：
{
"config": {
"chainId": 10086,
"homesteadBlock": 0,
"eip150Block": 0,
"eip155Block": 0,
"eip158Block": 0,
"byzantiumBlock": 0,
"constantinopleBlock": 0,
"petersburgBlock": 0,
"ethash": {}
},
"difficulty": "1",
"gasLimit": "80000",
"alloc": {}
}
此处我们定义chainID 为10086，使用PoW 共识机制，挖矿难度为1，没有初始资产
有关genesis.json 的详细格式可以参考：创世区块配置文件genesis.json的格式解读
3. 启动
创建好genesis.json后，就可以根据该配置创建区块链：
geth init --datadir . genesis.json
--datadir参数指定区块链相关文件的放置目录
随后启动区块链：
geth --networkid 191 --nodiscover --http --http.addr "0.0.0.0" --http.port 8545 --http.api personal,eth,net,web3 --allow-insecure-unlock --datadir . console
启动参数较多，分别为：
--networkid 网络ID。只有当NetworkID，ChainID，创世区块全部相同时，才是同一条区块链
--nodiscover 由于本次为实验环境，而且只有两台Host，我们可以关闭自动发现，手动添加Peers
--http 该区块链使用http协议。除了http，还可以使用websocket
--http.addr 监听地址，由于之后要在两台Host上传输数据，因此此处为0.0.0.0
--http.port 默认端口为8545
--http.api 可以允许使用http进行的一些操作，后续会详解
--allow-insecure-unlock 由于在本地做测试，为了方便不会配置https证书，加上这个参数可以在非HTTPS的环境下解锁账户
--datadir 指定区块链数据所在的目录
console 打开控制台
有关详细的Geth 启动参数，可以参阅Geth Command-line Options
启动成功后，会打开一个web3控制台，类似这样：
在Host2上重复上述操作，启动相同的区块链。
4. 操作
4.1 新用户
此时geth的任务已完成，我们开始使用 JSON RPC APIs 进行操作。
> eth.accounts
[]
可以看到目前还没有任何账户，新建一个账户：
输入personal.newAccount()，然后输入两次密码即可
可以看到我们的新账户地址为：0xf1d65f66658a3dfa86b689ce084fd3234fc3b691，并且在keystore目录下生成了一个文件。
再次查看eth.accounts，刚刚创建的新用户已出现：
> eth.accounts
["0xf1d65f66658a3dfa86b689ce084fd3234fc3b691"]
在Host2上重复上述操作，创建另一个新用户：
==============================================
Shell on Host2
==============================================
> eth.accounts
["0xf228360fbf872e4aca7f930a60b18c6f1f6ca19e"]
4.2 添加Peers
尽管两台Host现在运行同一条区块链，但由于我们预先关闭了peers自动发现，因此目前并没有Peers。在Host1上查看：
> admin.peers
[]
要添加在Host1上添加Host2，我们需要得到Host2的网络地址。在Host2的控制台中向上翻，找到区块链启动时，出现的一个Strated P2P networking 信息：
INFO [01-26|01:02:40.182] Started P2P networking self="enode://c81e35213c6fd2824dafdd174b24aa0bb36e7ce935819d2ecf22a19a53aea5e760caf32e20bf3818ab129eb89efaa33ed841a542cd7ea973b60e2b95ef3953c5@127.0.0.1:30303?discport=0"
其中self的值就是Host2的网络地址，注意应该将127.0.0.1改为192.168.0.180
enode://c81e35213c6fd2824dafdd174b24aa0bb36e7ce935819d2ecf22a19a53aea5e760caf32e20bf3818ab129eb89efaa33ed841a542cd7ea973b60e2b95ef3953c5@192.168.0.180:30303?discport=0
回到Host1，执行以下操作：
admin.addPeer("enode://c81e35213c6fd2824dafdd174b24aa0bb36e7ce935819d2ecf22a19a53aea5e760caf32e20bf3818ab129eb89efaa33ed841a542cd7ea973b60e2b95ef3953c5@192.168.0.180:30303?discport=0")
一段时间后，发现peercount=1，再次查看peers
如果此步迟迟不能发现新Peer，可以尝试在Host2上添加Host1
4.3 挖矿
在以太坊中，每挖出一个新区块，矿工将会获得一定的奖励。奖励将会流入coinbase账户中。如果genesis.json没有指定默认的coinbase账户，则会流入eth.accounts[0]中。下面我们开始模拟挖矿过程。
要使用某一个账户进行挖矿、交易等操作，首先需要解锁账户，方便起见，给Host1上的第一个账户地址设一个变量sender：
> sender = eth.accounts[0]
"0xf1d65f66658a3dfa86b689ce084fd3234fc3b691"
> personal.unlockAccount(sender)
Unlock account 0xf1d65f66658a3dfa86b689ce084fd3234fc3b691
Passphrase:
true
然后开始挖矿：
miner.start(1)
其中参数1指进程数，可按Host性能设置。由于我们在genesis.json中将difficulty设置得很小，理论上不会消耗很多时间。挖矿开始后，不断提示Generating DAG in progress，当percentage到达100%时，会看到挖掘出新区块。
Host1会将挖到的区块作为交易销售出去，在区块链上留下交易痕迹
来到Host2，会发现Host1提交的新区块被同步
适时停止挖矿：
miner.stop()
在Host1上查看账户sender的账户余额：
> miner.stop()
null
> eth.getBalance(sender)
34000000000000000000
查看目前区块链上挖出区块数量，在Host1和Host2上理论上应该出现相同的结果：
> eth.blockNumber
17
这个数字和之前显示的INFO最后一个挖出的区块number对应：
INFO [01-26|12:34:00.697] 🔨 mined potential block number=17 hash="5ac61c…ee83ca"
4.4 转账
Host1上的第一个账户0xf1d65f66658a3dfa86b689ce084fd3234fc3b691，变量名为sender
Host2上的第一个账户0xf228360fbf872e4aca7f930a60b18c6f1f6ca19e，设置新的变量名为receiver
> receiver = "0xf228360fbf872e4aca7f930a60b18c6f1f6ca19e"
设置转账的amount，转出1个ETH，在以太坊上进行交易，需要将ETH 单位转为Wei 单位：
> amount = web3.toWei(1, "ether")
执行sendTransaction 操作：
> eth.sendTransaction({from: sender, to: receiver, value: amount})
如果出现Error: authentication needed: password or unlock，可能时时间过长，sender 账户又被加锁，重新解锁即可。
sendTransaction 执行之后，Host2 中的receiver 账户并不会立刻受到1ETH（即1000000000000000000Wei），之前提到过，要在区块链中留下数据，必须通过挖矿产生新区块，提交到区块链中。因此要使转账生效，我们需要开始挖矿，将交易数据打包到新区块中。
在此之前，先来看一下等待队列中的交易，输入eth.pendingTransactions：
其中包含两个新参数gas 和gasPrice，是需要付给确认这笔交易的矿工的工资。
开始挖矿：
> miner.start(1)
挖到第一个区块就可以停止挖矿了：
> miner.stop()
在Host1 上挖到了新区块：
INFO [01-26|13:59:12.443] 🔨 mined potential block number=18 hash="675837…edf7ca"
INFO [01-26|13:59:13.060] Successfully sealed new block number=19 sealhash="58e4be…89b373" hash="15d1f0…7ca475" elapsed=638.999ms
INFO [01-26|13:59:13.060] 🔗 block reached canonical chain number=12 hash="7c0bcf…76cec9"
INFO [01-26|13:59:13.088] Commit new mining work number=20 sealhash="18f1a8…de77c4" uncles=0 txs=0 gas=0 fees=0 elapsed=28.006ms
在Host2 上找到这个已经同步来的区块：
INFO [01-26|13:59:13.690] Imported new chain segment blocks=1 txs=1 mgas=0.021 elapsed=7.991ms mgasps=2.628 number=18 hash="675837…edf7ca" dirty=4.72KiB
此时在Host2 上查看receiver 的余额：
> receiver = "0xf228360fbf872e4aca7f930a60b18c6f1f6ca19e"
> eth.getBalance(receiver)
1000000000000000000
在Host1 上查看sender 余额：
> eth.getBalance(sender)
43000000000000000000
5. 总结
该篇章中我们使用Geth 生成了一条区块链，并在两个Host 上，用两个用户完成了挖矿和转账操作。下一篇章我们会着重理解以太坊的工作方式，入门智能合约。
作为以太坊初学者，本文很可能有概念理解上的错误，欢迎各位批评指正。
📖其他参考资料：
区块链入门(3):在以太坊私有网络中建立节点集群,并发生交易 - 88911562 - 博客园 (cnblogs.com)
私有链挖矿的时候,这个generating DAG好慢 有什么方法加快这个速度-链客区块链技术开发者社区 (liankexing.com)
