Как создать свой блокчейн с нуля при помощи Go? Часть 1

Содержание статьи:

• Требования
• 1. Начало
• 2.Изменение состояния базы данных (Mutating Global DB State)
• Бонус для клиентов

Цель этого гайда - разобрать технологические составляющие блокчейна на практике. Для этого рассмотрим кейс разработки собственного блокчейна с нуля.

Мы расскажем вам историю разработчика, который хотел произвести революцию в своем баре, внедрив блокчейн для платежей. 

И хотя у блокчейна много применений, в основном сейчас его используют для проведения транзакций. Причина этому проста - банки все еще работают на неэффективной инфраструктуре, которой больше 40 лет.

В этом гайде вы узнаете:

1. Как разработать Go проект на своем компьютере без опыта работы с Golang.

2. Как создать и распределить блокчейн токены.

3. Как разработать базу данных CLI на языке Golang с нуля.

4. Как сделать свою базу данных неизменной при помощи криптографической хеш функции.

5. Как мало прав есть у пользователей самых популярных приложений.

Начнем с истории разработки распределенного реестра. Нашего главного героя зовут Андрей. Днем он владелец бара, а ночью - разработчик ПО. Он живет в небольшом городе на востоке Словакии под названием Ба?рдеёв.

Андрей устал:

1. Программировать старомодные PHP/Java/Javascript приложения.

2. Забывать сколько клиенты должны за неоплаченные шоты.

3. Тратить время на пересчет монет, купюр и выдачу сдачи.

4. Выдавать пластиковые монетки, по которым посетители могут играть в настольный футбол и прочие игры.

Андрей хотел бы:

1. Иметь понятную и прозрачную финансовую историю активности бара и продаж, благодаря которой он бы мог легко соблюдать все регулирующие нормы.

2. Превратить свой бар в автономную, децентрализованную и безопасную среду, которая бы приносила прибыль и ему и его клиентам.

Его цель - написать простую программу, которая бы следила за балансами его клиентов в виртуальной форме. Андрей пишет:

Каждый новый клиент будет давать мне наличку. Я буду перечислять на их электронный счет определенное количество своих цифровых токенов (монет, криптовалют). Эти токены будут представлять собой единицу расчета в баре и вне его стен. Клиенты будут использовать эти токены для оплаты всех услуг бара - напитков, еды, настольных игр. Кроме того, эти монеты можно будет одалживать своим друзьям.

Он продолжает:

Это даст мне возможность генерировать прибыль для моих посетителей. Клиенты моего бара будут держать токены и иметь права акционеров. Они смогут голосовать за цену напитков, часы работы, новые фичи, дизайн бара, распределение прибыли и т.д. Я назову свои токены The Blockchain Bar (TBB).

Теперь, когда мы знаем цель Андрея, можем приступать к разбору.

Требования

Для полного понимания рекомендуется 2+ года опыта программирования на Java/PHP/Javascript или на другом языке, похожем на Golang. 

Посоветуем также пройти официальный курс A Tour Of Go, чтобы ознакомиться с синтаксисом языка и основными концепциями (это займет около 20 минут).

Андрей занимался базами данных SQL в 90х. Он знает как сделать и оптимизировать продвинутое решение. Для создания базы он выбрал простой но надежный файл JSON. 

1. Начало

Разберем процесс создания блокчейна пошагово.

Андрей генерирует 1 миллион токенов. 

У каждого блокчейна есть генезис-блок, который распределяет первые токены ранним участникам. 

Начинается все просто - с обыкновенного genesis.json.

Андрей создает файл ./database/genesis.json, в котором определяет что на его блокчейне будет 1 миллион токенов и все они будут принадлежать ему. 

Дальше он занимается ценообразованием - присуждает каждому токену стоимость в евро, долларах или другой валюте. 

Он также решает, что должен получать 100 токенов в день за поддержание базы данных.

2.Изменение состояния базы данных (Mutating Global DB State)

Наш герой готов принимать токены в своем баре. К сожалению, никто к нему не заходит, поэтому он заказывает три рюмки водки для себя и записывает эту сделку в бумажную базу данных:

Для того, чтобы постоянно не пересчитывать балансы клиентов, андрей создаёт файл ./database/state.json.

База данных выглядит следующим образом:

{  "balances": {      "andrej": 1000700  }}

Бонус для клиентов

Чтобы привлечь новых клиентов Андрей объявляет об акции - он предоставит 100% бонус на покупку токенов TBB в следующие 24 часа. 

Маркетинговый ход сработал. Его первый клиент под ником BabaYaga купил TBB на €1000 и, чтобы отметить событие, потратил один токен на рюмку водки.

Транзакция, записанная на бумаге:

База данных выглядит следующим образом:

{  "balances": {      "andrej": 998801,      "babayaga": 1999  }

Андрей решил немного отдохнуть, поиграть в видеоигры и почистить свой жесткий диск от старых фотографий. К несчастью, он случайно нажал Enter когда вводил команду удаления в терминале sudo rm -rf /

Все его файлы, в том числе Genesis.json и State.json его бара исчезли. Поскольку наш герой имеет опыт в разработке, он не растерялся. Хотя у него не было бэкапа, у него было кое-что получше - листик бумаги, на котором записаны все транзакции в его базе данных. Теперь ему нужно только заново провести все транзакции и база данных восстановится.

Он решает улучшить свою базу данных MVP архитектурой, построенной на событиях. (Event-based architecture). Каждое действие а баре, вроде единичной покупки напитка, должно быть записано в базу данных блокчейна.

Каждый клиент будет представлен в базе данных при помощи структуры Account.

type Account string

Каждая транзакция будет иметь четыре характеристики: откуда, куда, размер и данные. 

type Tx struct {   From  Account `json:"from"`   To    Account `json:"to"`   Value uint    `json:"value"`   Data  string  `json:"data"`}func (t Tx) IsReward() bool {   return t.Data == "reward"}

Генезисная база данных останется файлом JSON:

{  "genesis_time": "2019-03-18T00:00:00.000000000Z",  "chain_id": "the-blockchain-bar-ledger",  "balances": {    "andrej": 1000000  }}

Все транзакции, ранее записанные на куске бумаги, будут хранится в локальной текстовой базе данных tx.db:

{"from":"andrej","to":"andrej","value":3,"data":""}{"from":"andrej","to":"andrej","value":700,"data":"reward"}{"from":"andrej","to":"babayaga","value":2000,"data":""}{"from":"andrej","to":"andrej","value":100,"data":"reward"}{"from":"babayaga","to":"andrej","value":1,"data":""}

Ключевым компонентом базы данных, отвечающим за бизнес-логику будет структура State:

type State struct {   Balances   map[Account]uint   txMempool []Tx   dbFile *os.File}

Структура State будет знать балансы всех пользователей, а также адресата, отправителя, и сумму транзакций. State считывает начальные балансы пользователей с файла genesis.json.

После этого изначальные балансы обновляются, заново проигрывая все события из базы данных tx.db.

Компонент State отвечает за:

• Добавление транзакций в мемпул
• Подтверждение транзакций 
• Сохранение транзакйий на диск
• Подсчет балансов пользователей

Добавление транзакций в мемпул:

func (s *State) Add(tx Tx) error {   if err := s.apply(tx); err != nil {      return err   }    s.txMempool = append(s.txMempool, tx)    return nil}

Подтверждение транзакций:

func (s *State) apply(tx Tx) error {   if tx.IsReward() {      s.Balances[tx.To] += tx.Value      return nil   }    if tx.Value > s.Balances[tx.From] {      return fmt.Errorf("insufficient balance")   }    s.Balances[tx.From] -= tx.Value   s.Balances[tx.To] += tx.Value    return nil}

Сохранение транзакций на диск:

func (s *State) Persist() error {   // Make a copy of mempool because the s.txMempool will be modified   // in the loop below   mempool := make([]Tx, len(s.txMempool))   copy(mempool, s.txMempool)    for i := 0; i < len(mempool); i++ {      txJson, err := json.Marshal(mempool[i])      if err != nil {         return err      }       if _, err = s.dbFile.Write(append(txJson, '\n')); err != nil {         return err      }       // Remove the TX written to a file from the mempool      s.txMempool = s.txMempool[1:]   }    return nil

Продолжение следует. В следующих частях мы рассмотрим процесс создания интерфейса командной строки, основные свойства хэш функции и как работает неизменность блокчейна на практике.