一種利用Raspberry 搭建區(qū)塊鏈私有鏈全節(jié)點的方法研究

牛巖松，宗峰

（山東英才學(xué)院信息工程學(xué)院，濟(jì)南250104）

0 引言

近期，對于區(qū)塊鏈利有利政策不斷提出，區(qū)塊鏈逐漸成為資本市場的焦點。2019 年10 月份區(qū)塊鏈被提升到戰(zhàn)略高度的層面去發(fā)展；緊接著密碼法出臺，越來越多的地區(qū)開始布局區(qū)塊鏈，但是有一些人可能并不太清楚區(qū)塊鏈概念以及原理，而且在國內(nèi)似乎很少有人利用樹莓派和PC 組建私人區(qū)塊鏈，尤其是在國內(nèi)某些行業(yè)因為缺乏數(shù)據(jù)儲存，以及追溯能力的不足，造成相關(guān)行業(yè)不規(guī)范，在本文中介紹的就是一個利用Rasp?berry 搭建區(qū)塊鏈私有鏈全節(jié)點的方法，希望可以為今后探索區(qū)塊鏈應(yīng)用提供部分思路。

1 樹莓派簡介以及重裝系統(tǒng)

1.1 樹莓派簡介

Raspberry Pi 只有信用卡大小的微型電腦，其系統(tǒng)基于Linux。隨著Windows 10 IoT 的發(fā)布，我們也將可以用上運(yùn)行Windows 的樹莓派。RaspberryPi 配備了一顆ARM11 系列，主頻為700M 的CPU，以SD 卡為內(nèi)存硬盤，卡片主板周圍有兩個USB 接口和一個網(wǎng)口，可連接鍵盤、鼠標(biāo)和網(wǎng)線[1]。同時擁有視頻模擬信號的電視輸出接口和HDMI 高清視頻輸出接口，以上部件全部整合在一張僅比信用卡稍大的主板上，具備所有PC 的基本功能只需接通電視機(jī)和鍵盤，就能執(zhí)行如電子表格、文字處理、玩游戲、播放高清視頻等著多功能。RaspberryPiB 款只提供電腦板，無內(nèi)存、電源、鍵盤、機(jī)箱或連線，考慮到便于普及和成本的問題，又細(xì)分為Model-A 和Model-B 兩個版本。而且樹莓派在改裝成比特幣挖礦機(jī)，其在能耗方面的優(yōu)勢將更加凸顯。

1.2 樹莓派重裝系統(tǒng)

（1）準(zhǔn)備工作下載樹莓派系統(tǒng)，下載Win32 Disk Image，在這里需要注意如果樹莓派已經(jīng)安裝系統(tǒng)，則使用DiskGenius 格式化再重新分區(qū)，SSH 連接軟件putty、XShell 等。

使用Win32 Disk Image 安裝系統(tǒng)，下載好最新的樹莓派系統(tǒng)后解壓，安裝Win32 Disk Image 工具，并格式化好TF 卡，打開Win32 Disk Image，寫入即可，寫入完成后，將TF 卡插到樹莓派，開機(jī)[2]。

（2）SSH 連接，將SD 卡連接到電腦打開，在根目錄直接新建“SSH”文件（無后綴）。有線連接，電腦連接Wi-Fi，樹莓派和電腦之間通過網(wǎng)線連接，打開Win?dows 的網(wǎng)絡(luò)和共享中心，勾選允許其他網(wǎng)絡(luò)用戶通過此計算機(jī)的Internet 連接，打開CMD，輸入arp-a 獲得樹莓派IP，獲得IP 地址后使用SSH 連接軟件進(jìn)行連接[3]。

（3）各個節(jié)點通過編輯/etc/hostname 來修改機(jī)器名稱，通過編輯/etc/dhcpdc.conf 設(shè)置靜態(tài)IP 地址。

1.3 配置Wi-Fi

使用命令：sudo raspi-config 進(jìn)行樹莓派配置，進(jìn)入配置頁面后，選擇2.Network Options，選擇國家China，在輸入SSID 和密碼即可，SSID 即為Wi-Fi 名稱。登錄路由器管理界面，查詢樹莓派IP，就可以直接使用Wi-Fi連接樹莓派[1]。

2 區(qū)塊鏈共識機(jī)制

2.1 區(qū)塊鏈介紹

區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N以密碼學(xué)方式保證的不可篡改和不可偽造的分布式賬本。區(qū)塊鏈最早產(chǎn)生于2008 年1月中本聰提出區(qū)塊鏈的概念，再后來出現(xiàn)創(chuàng)世區(qū)塊鏈以及序號為1 的區(qū)塊鏈。區(qū)塊鏈主要特征為去中心化、開放性、獨立性、信息不可篡改、匿名性，區(qū)塊鏈的核心技術(shù)包括分布式賬本，對稱加密和授權(quán)技術(shù)，共識機(jī)制，智能合約[4]。在從長遠(yuǎn)的角度來看，數(shù)字貨幣交易完成了向全球交易平臺的轉(zhuǎn)移，在未來的數(shù)字貨幣將成為不可阻擋的歷史潮流，而在現(xiàn)實中，區(qū)塊鏈的大規(guī)模應(yīng)用存在許多瓶頸，因此也是受到很多人的質(zhì)疑。

2.2 共識機(jī)制比較選擇

（1）PoW（Proof-of-Work）

PoW 最著名的應(yīng)用就是比特幣以及以太坊和一些其他基于PoW 協(xié)議的貨幣。其最大的缺點是會面臨51%以上的攻擊，但由于區(qū)塊鏈?zhǔn)遣豢勺兊?，但是可以通過拒絕服務(wù)，來使得無法正常運(yùn)行，并且需要消耗大量的算力大量的電力，并不適合樹莓派來搭建，PoW 協(xié)議更多的適用于公鏈[4]。

（2）PoS（Proof-of-Stake）

PoS 要求證明人提供一定數(shù)量加密貨幣的所有權(quán)，此機(jī)制會根據(jù)每個節(jié)點擁有代幣的比例和時間，依據(jù)算法等比例降低節(jié)點的挖礦難度，從而加快了尋找隨機(jī)數(shù)的速度[4]。這種機(jī)制相較于PoW 來說或許是一種好的選擇，但是它本質(zhì)上仍然需要網(wǎng)絡(luò)中的系統(tǒng)但進(jìn)行挖礦運(yùn)算，不能為我們提供我們足夠所需的控制和安全級別。

（3）PoA（Proof-of-Authority）

PoA 是相對PoW 和PoS 來說算是一個新概念，在這個概念中，您擁有許多預(yù)先批準(zhǔn)的授權(quán)節(jié)點（即礦工）。您要添加任何新節(jié)點，必須由當(dāng)前已有的礦工投票，這使您可以完全控制哪一些節(jié)點可以做為礦工。以太坊的PoA 協(xié)議稱為Clique，它適用于私鏈，但不適用于公鏈。

2.3 安裝最新版本go語言

在go 語言官方網(wǎng)站下載最新版本適合自己操作系統(tǒng)和框架的版本：在https：//studygolang.com/dl 下載解壓縮完成后需要設(shè)置添加環(huán)境變量，這里使用Linux。

vi/etc/profile 在最后面添加以下設(shè)置：

export GOPATH=/opt/gopath

export GOROOT=/usr/lib/go

export GOARCH=386

export GOOS=linux

export GOTOOLS=$GOROOT/pkg/tool

export PATH=$PATH:$GOROOT/bin:$GOPATH/bin

執(zhí)行source/etc/profile。

2.4 Go-ethereum客戶端安裝

Go-ethereum 客戶端通常稱為Geth，它是個命令行界面，執(zhí)行在Go 上實現(xiàn)的完整以太坊節(jié)點。Geth 得益于Go 語言的多平臺特性，支持在多個平臺上使用（例如 Windows、Linux、Mac）。Geth 是以太坊協(xié)議的具體落地實現(xiàn)，通過Geth，可以實現(xiàn)POA 協(xié)議的部署和執(zhí)行[5]。

在 Geth 官網(wǎng)（https：//geth.ethereum.org/downloads/）下載自己操作系統(tǒng)和框架匹配的版本：

在此需要注意的是，有官方提供的二進(jìn)制安裝包，直接下載解壓就可以使用。而在Linux 下可以將Geth所在的目錄添加到環(huán)境變量，或者直接sudo mv geth/usr/bin。

Go-ethereum 客戶端安裝環(huán)境：

Apt install golang-y

Apt-get install-y build-essential

在Raspberry 下載Go 相應(yīng)版本的源碼，編譯過程在其中一臺設(shè)備上進(jìn)行即可，其余設(shè)備可通過WinScp上傳再執(zhí)行完成。

2.5 創(chuàng)建簽名賬戶

因為樹莓派的內(nèi)存比較小，新建賬戶的時候可能會出現(xiàn)out of memory 的情況，所以在啟動節(jié)點前新建賬戶，減少新建賬戶的內(nèi)存使用量。在這里進(jìn)入到需要新建節(jié)點的目錄，cd 指令切換到相應(yīng)目錄，出現(xiàn)geth--datadir.pichain account new 按照指示輸入密碼。

在每個節(jié)點上運(yùn)行g(shù)eth--datadir node account new創(chuàng)建賬戶，需要注意的是要保存密碼，同時記住個節(jié)點賬戶（后續(xù)啟動賬戶需要）[6]。

3 搭建私有鏈

3.1 創(chuàng)建創(chuàng)世文件

利用編譯生成的客戶端交互工具puppeth 可以生成創(chuàng)世塊文件。在這里需要用到上面的賬戶代碼，同時需要記住網(wǎng)絡(luò)ID。直接運(yùn)行./puppeth 按照提示選擇即可，最后生成poa_test.json 文件。

3.2 私有鏈節(jié)點初始化

準(zhǔn)備好JSON 配置文件后，進(jìn)行初始化區(qū)塊鏈，將創(chuàng)世區(qū)塊信息寫入到區(qū)塊鏈中。第一步是進(jìn)行新建一個目錄data（）用來存放區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)，在這里目錄data（）相當(dāng)于一個根節(jié)點[6]。

將上面生成的poa_test.json 文件通過WinScp 上傳到各節(jié)點/home/deling.json，執(zhí)行 geth--datadir node init deling.json 來進(jìn)行初始化。

3.3 啟動私有鏈節(jié)點

需要注意的是這時要使用全同步模式，就是--syn?cmode full，不然的話后續(xù)和服務(wù)器連接同步時可能會出錯。首次啟動節(jié)點是獲得節(jié)點enodeid，節(jié)點這里初始化完成后還未建立連接，因此會顯示Signed recently，must wait for others。

3.4 首次啟動節(jié)點完成后的調(diào)整

需要注意的是直接啟動節(jié)點時會報錯，在這里需要將生成的key 復(fù)制到datadir 中的keystore，然后分別在每臺機(jī)器上運(yùn)行，在這里分別記錄下各節(jié)點的地址，編輯為.json 文件，保存起來。

4 結(jié)語

本文詳細(xì)介紹了基于樹莓派來搭建區(qū)塊鏈私有鏈的方法，在文中介紹對比了區(qū)塊鏈幾種共識機(jī)制，最終采用PoA 協(xié)議來搭建私有鏈，通過Go 語言以及Geth的運(yùn)用，來實現(xiàn)以太坊協(xié)議的具體實現(xiàn)來完成PoA 協(xié)議的部署和執(zhí)行，最終實現(xiàn)了私有鏈的搭建，該區(qū)塊鏈的搭建解決了國內(nèi)某些行業(yè)因為缺乏數(shù)據(jù)儲存和追溯能力的不足的問題，希望可以為今后探索區(qū)塊鏈應(yīng)用提供部分思路。