启动一条以太坊私链¶
以太坊网络分为主网、测试网。这两个网络都是公开的链，为世界所有开发者和用户所用。
我们今天的学习蓝本是以太坊的私有网络，或者称为私链。
私链和公链是不互通的，通过网络进行隔离。我们教程的私链里，有且仅有我们一台计算机运行。
以太坊源代码及软件都是开源的，任何人都可以拷贝一份源代码并且运行自己的以太坊私链。以下是接入不同的网络所需下载数据量的对比。
main net主网 –下载量 >1TB 的区块链数据，共需3-5天时间。test net测试网 –下载量 ~60GB的代号为Ropsten的测试网数据，约10小时。private net私链 –无需下载，创世后等待数分钟即可正常运转。
我们将以构建私有网络，亲手创世一条以太坊私链的形式进行下面的教学。
设立工作目录
我们设立一个新的工作目录并新建一个创世启动配置文件。
1 2 3 4 | mkdir ether-test
cd ether-test
touch gensis.json
mkdir db
|
至此，我们的创世目录生成完毕，目录结构如下。
ether-test/
├── db
└── gensis.json
1 directory, 1 file
编辑创世配置
如果读者回忆起 以太坊的特色 的讲解，与比特币不同，以太坊的创世就已经分配了约70%的以太币，随后才进入挖矿过程，大家竞争挖矿分配剩余的币。我们私链也同样可以通过创世方法分配好一些以太币供测试使用，或者从零开始一点一点通过挖矿的方式挖掘以太币。
创世配置就是供以太坊私有链第一次启动时所使用，创世区块是最特殊的区块，它没有前一个区块，因为它自己是第一个块。我们下面来配置创世区块 gensis.json 文件。
// gensis.json
{
"config": {
"chainId": 987,
"homesteadBlock": 0,
"eip155Block": 0,
"eip158Block": 0
},
"difficulty": "0x400",
"gasLimit": "0x8000000",
"alloc": {}
}
以上就是一份最小可行的创世区块配置，包含了区块链配置，挖矿难度设置，单一区块最大包含 Gas 的上限，以及一个空置的创世币分配区alloc(意味着没有预先分配以太币)。当然，也可以扩充一些启动的其他参数诸如时间戳以及前一区块哈希等，这些都是非必填的。完整版的 gensis.json 如下所示。
{
"config": {
"chainId": 987,
"homesteadBlock": 0,
"eip155Block": 0,
"eip158Block": 0
},
"difficulty": "0x400",
"gasLimit": "0xffffffff",
// 可选填的参数
"coinbase": "0x0000000000000000000000000000000000000000",
"extraData": "0x00",
"nonce": "0x0000000000000001",
"mixhash": "0x0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000",
"parentHash": "0x0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000",
"timestamp": "0x00",
"alloc": {
"430e986e0cca10a174baad96871ec9cb308c6d05": {"balance": "111111"}
}
}
各个字段解释如下：
| 必填 | |
| chainId | 自定义私链的网络ID，不同的网络ID无法互联通讯，以太坊公链ID 为1，我们设置为987以防止与网络中其他私链冲突。 |
| homesteadBlock | 是否为HomeStead版本的区块，设置为0表明是。 |
| eip155Block | EIP155 [1] 是一个以太坊分叉提议，为了和以前的以太坊经典ETC 链条分叉而存在，我们私链不需要它，设为0。 |
| eip158Block | EIP158 [2] 是一个以太坊分叉提议，为了解决之前以太坊空账户造成效率低下的协议漏洞而分叉，我们私链不需要它，设为0。 |
| difficulty | 设置当前区块难度，若难度过大挖矿就很慢，我们设置较小值。 |
| gasLimit | 单一区块最大 gas 消耗上限，用来限制能够打包进入块的交易数量与信息总和，我们在学习中可以设置为最大。 |
| 选填 | |
| coinbase | 打包该块的矿工的奖励地址，因为是创世块，可设为0地址。 |
| extraData | 打包该块时矿工记录的笔记。 |
| nonce | 打包该块时矿工挖矿所用到的Ethash输入参数nonce。 |
| mixHash | 与nonce配合用于挖矿，创世区无前一个区块，可不填。 |
| parentHash | 前一个区块头的哈希值，创世区块无前一个区块，设为0。 |
| timestamp | 打包该块的时间戳，符合Unix Timestamp标准，设为0。 |
| alloc | 创世时各账户分配以太币的数量，不想分配则忽略。 |
后文将以简化版本的 gensis.json 作为创世私有链的基础。
初始化创世配置
我们已经准备好了创世的配置，接下来就是将该链条的配置初始化，形成区块链的起点，初始化之后我们就有了第一个区块，接下来就可以根据第一个区块来挖掘第二个区块了。
进入 ether-test 目录，执行初始化。
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 | cd ether-test
geth --datadir "./db" init gensis.json
>
INFO [09-16|15:04:53.320] Maximum peer count
INFO [09-16|15:04:53.326] Allocated cache and file handles
INFO [09-16|15:04:53.329] Writing custom genesis block
INFO [09-16|15:04:53.329] Persisted trie from memory database
INFO [09-16|15:04:53.329] Successfully wrote genesis state
INFO [09-16|15:04:53.329] Allocated cache and file handles
INFO [09-16|15:04:53.331] Writing custom genesis block
INFO [09-16|15:04:53.331] Persisted trie from memory database
INFO [09-16|15:04:53.331] Successfully wrote genesis state
|
此时我们看到控制台上输出了 “Successfully wrote genesis state” 意味着我们的初始化已经成功，趁此机会我们了解一下究竟本地目录发生了怎样的变化：
ether-test/
├── db
│ ├── geth
│ │ ├── chaindata
│ │ │ ├── 000001.log
│ │ │ ├── CURRENT
│ │ │ ├── LOCK
│ │ │ ├── LOG
│ │ │ └── MANIFEST-000000
│ │ └── lightchaindata
│ │ ├── 000001.log
│ │ ├── CURRENT
│ │ ├── LOCK
│ │ ├── LOG
│ │ └── MANIFEST-000000
│ └── keystore
└── gensis.json
5 directories, 11 files
在 db 目录数据库，程序自动新建了 geth 目录。 该目录存放了区块链的所有运行时产生的区块链数据、日志、世界状态并随着区块链增长而占据更多存储硬盘空间。 它内部的两个子目录存储了具体的区块链数据。 db 目录下还有一个 keystore 目录。该目录下保存了各个账户的私钥的加密后的文件， 与我们学习过的 资料篇：Keystore 与私钥保存 相对应。只有在签名的时候用户才会解锁 keystore 执行签名操作。
启动Geth 节点
一切准备就绪，弗兰肯斯坦的巨人马上就要苏醒，在我们现在的环境下，需要启动一个 Geth 节点来接入私链网络（实际上也是这个私链网络的唯一一个节点），负责在创世块后挖出第一个块。该节点也是我们与以太坊私链通信的节点服务器。下面我们来启动这样一个节点。
1 2 3 4 5 6 7 | cd ether-test
geth --datadir ./db/ --rpc --rpcaddr=127.0.0.1 --rpcport 8545 --rpccorsdomain "*" \
--rpcapi "eth,net,web3,personal,admin,shh,txpool,debug,miner" \
--nodiscover --maxpeers 30 --networkid 198989 --port 30303 \
--mine --minerthreads 1 \
--etherbase "0x7df9a875a174b3bc565e6424a0050ebc1b2d1d82" \
console
|
geth启动时命令行参数解释如下表:
| 参数 | 解释 |
| –rpc | 开启JSON-RPC 服务，可供调用/调试访问。 |
| –rpcaddr | 本地监听JSON-RPC的地址。 |
| –rpcport | 本地监听JSON-RPC的端口。 |
| –prccorsdomain | 本地监听JSON-RPC允许的域名访问。 |
| –rpcapi | 允许提供的RPC服务模块，在示例中选择了数个模块加载。 |
| –nodiscover | 关闭自动发现节点，私有链开发时防止他人意外接入，可选择关闭该选项避免他人加入网络。 |
| –maxpeers | 允许最大节点链接数目。 |
| –networkid | 指定以太坊网络ID。 |
| –port | 监听以太坊节点之间P2P消息的TCP/UDP端口，默认30303。 |
| –mine | 节点启动挖矿功能，参与挖矿。 |
| –minerthreads | 挖矿的多线程配置，例子中配置为1个线程。 |
| –etherbase | 若启动挖矿功能，挖矿奖励的接受地址，例子中我们随便填了一个。 |
| console | (可选) 启动后进入命令行模式，直接输入命令互动操作。 |
输入回车，启动成功！此时控制台会输出一组日志信息并有如下的欢迎信息：
INFO [09-16|15:33:26.872] Maximum peer count ETH=30 LES=0 total=30
INFO [09-16|15:33:26.879] Starting peer-to-peer node instance=Geth/v1.8.14-stable/darwin-amd64/go1.10.3
INFO [09-16|15:33:26.879] Allocated cache and file handles database=/ether-test/db/geth/chaindata cache=768 handles=1024
INFO [09-16|15:33:26.889] Initialised chain configuration config="{ChainID: 987 Homestead: 0 DAO: <nil> DAOSupport: false EIP150: <nil> EIP155: 0 EIP158: 0 Byzantium: <nil> Constantinople: <nil> Engine: unknown}"
INFO [09-16|15:33:26.889] Disk storage enabled for ethash caches dir=/ether-test/db/geth/ethash count=3
INFO [09-16|15:33:26.889] Disk storage enabled for ethash DAGs dir=/.ethash count=2
INFO [09-16|15:33:26.889] Initialising Ethereum protocol versions="[63 62]" network=198989
INFO [09-16|15:33:26.890] Loaded most recent local header number=0 hash=4e048d…366eb4 td=1024
INFO [09-16|15:33:26.890] Loaded most recent local full block number=0 hash=4e048d…366eb4 td=1024
INFO [09-16|15:33:26.890] Loaded most recent local fast block number=0 hash=4e048d…366eb4 td=1024
INFO [09-16|15:33:26.890] Regenerated local transaction journal transactions=0 accounts=0
INFO [09-16|15:33:26.890] Starting P2P networking
...
Note
- Geth启动时会占用数个计算机端口，请确保它们可用。
- 8545 TCP端口 – 供基于 HTTP的JSON-RPC API通信使用。
- 8546 TCP端口 – 供基于 WebSocket的JSON-RPC API通信使用。
- 30303 TCP/UDP端口 – 提供 P2P 协议同步数据块运行以太坊网络。
- 30304 UDP端口– P2P通信中新节点发现机制所用。
在较慢的硬盘(非SSD)或者在虚拟机环境中，挖出一个区块的时间会非常长，约需要 5~10 分钟时间，在配置了 SSD 硬盘的新款 Macbook 上几乎是瞬间就能挖出一个区块。挖出区块时会有小锤子的标记，会显示如下的控制台输出：
INFO [09-16|15:34:03.651] Successfully sealed new block number=1 hash=589650…007f89 elapsed=8.569s
INFO [09-16|15:34:03.651] 🔨 mined potential block number=1 hash=589650…007f89
INFO [09-16|15:34:03.652] Commit new mining work number=2 uncles=0 txs=0 gas=0 fees=0 elapsed=125.154µs
INFO [09-16|15:34:03.838] Successfully sealed new block number=2 hash=fb5f62…81e023 elapsed=186.718ms
INFO [09-16|15:34:03.839] 🔨 mined potential block number=2 hash=fb5f62…81e023
INFO [09-16|15:34:03.839] Commit new mining work number=3 uncles=0 txs=0 gas=0 fees=0 elapsed=142.96µs
INFO [09-16|15:34:04.092] Successfully sealed new block number=3 hash=4fb51d…5c5e1c elapsed=252.862ms
INFO [09-16|15:34:04.092] 🔨 mined potential block number=3 hash=4fb51d…5c5e1c
我们可以陆续看到诸如 number=1，number=2 的输出，这表明我们已经成功地挖掘出了第1，2，3…个区块，而区块的 uncles=0 ，说明并没有 叔块 产生，复习我们之前所学的知识 资料篇：矿工与挖矿奖励 ，在网络中有且仅有我们一个挖矿节点的时候，没有竞争对手产生同一个高度的块，所以显而易见的是不会产生孤立的块，也就不会产生叔块了。
至此，控制台持续在输出挖矿相关信息。你的私链已经稳定运行。由于我们启动时 etherbase 参数随便设置了一个挖矿矿工奖励地址，所以挖出的区块奖励都发送到了那个地址，但我们并没有持有这个地址，这等于白白浪费了。现在，我们来与Geth通信并且让它暂停一下挖矿，等我们新建好了账户之后再继续挖。
我们重新开一个控制台窗口，并连接上正在运行的 Geth，让其停下挖矿。
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 | cd ether-test
geth --datadir ./db attach ipc:./db/geth.ipc
>
Welcome to the Geth JavaScript console!
instance: Geth/v1.8.14-stable/darwin-amd64/go1.10.3
coinbase: 0x7df9a875a174b3bc565e6424a0050ebc1b2d1d82
at block: 90 (Sun, 16 Sep 2018 15:56:37 CST)
datadir: /ether-test/db
modules: admin:1.0 debug:1.0 eth:1.0 ethash:1.0 miner:1.0 net:1.0 personal:1.0 rpc:1.0 txpool:1.0 web3:1.0
> miner.stop()
true
|
我们使用 miner.stop() 命令来停止挖矿行为，此时可以看到之前启动的 Geth 节点的控制台输出已经停下，没有新区块被挖掘。需要重启挖矿，执行 miner.start() 即可。
至此我们回顾一下。我们已经启动了一条以太坊私链，在启动之时我们选填了一些参数。
–rpcapi “eth,net,web3,personal,admin,shh,txpool,debug,miner”
这些参数都是指定Geth客户端装载哪些功能模块的，这些模块有的是挖矿模块，有的是账户模块，根据使用者偏好可以选择性地启用，适当地增减当前节点具备的能力。具体的模块解释如下表 [3] 。
| 模块 | 解释 |
| personal | 账户相关操作–新建账户、锁定账户、发送签名交易等。 |
| admin | 节点管理相关–节点数据存储、网络状况、API 开放状况等。 |
| txpool | 交易池相关–交易池等待情况，查看某交易详情等。 |
| debug | 开发调试相关–追踪区块状况，分析区块详情、CPU 状况检测等。 |
| miner | 挖矿相关–更改奖励收款地址、开启/关闭挖矿功能、设置 gas 费用等。 |
| web3 | 包含了以上模块的总入口，还包含单位换算函数。 |
| eth | 提供了操作区块链的相关方法。 |
| shh | 提供了分布式网络 P2P Whisper通信协议的相关方法 |
| [1] | Vitalik Buterin (2016), ‘Simple replay attack protection’, Available at: https://github.com/ethereum/EIPs/blob/master/EIPS/eip-155.md |
| [2] | Vitalik Buterin (2016), ‘State clearing’, Available at: https://github.com/ethereum/EIPs/blob/master/EIPS/eip-158.md |
| [3] | 笔者注：更多参考见 https://github.com/ethereum/go-ethereum/wiki/Management-APIs |