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)

以太坊基本概念与实验环境搭建 · float's blog (gitee.io)