以太坊客户端与分布式网络

一、实验目的及要求

本次实验的主要目的是通过实践操作，深入理解以太坊私有链网络的架构及其工作原理。具体要求包括：

  1. 掌握Linux系统常用命令：实验者应熟练运用Linux命令行工具进行文件管理、进程监控、网络配置等基本操作，为后续搭建以太坊节点提供技术基础。

  2. 掌握搭建以太坊私有链网络的方法：实验者应学会使用Geth客户端及相关工具（如Clef）在Docker环境中创建、配置并启动一个包含多个节点的私有链网络。

  3. 通过搭建多节点网络了解分布式架构：通过构建包含四个节点的私有链，实验者应能理解分布式系统的概念，包括节点之间的通信机制、数据同步方式、共识过程等。

  4. 熟悉账户管理、挖矿、转账等基本操作：在搭建好的私有链上，实验者应能够创建和管理以太坊账户，启动并监控挖矿过程，以及执行转账交易等典型区块链操作，以直观体验以太坊网络的核心功能。

二、实验设备（环境）及要求

实验所需硬件和软件环境如下：

实验者还需具备一定的编程基础，特别是对JavaScript语言的理解，因为实验涉及编写和处理规则文件（如rules.js），以及通过Geth控制台执行命令行操作。

三：实验内容与步骤

预备知识与工具简介

在进行以太坊私有链网络搭建实验之前，了解相关概念、产品和工具的背景、原理及功能是十分必要的。以下是对实验中涉及的关键概念、产品和工具的简要介绍：

1. 以太坊（Ethereum）

以太坊是一种开源的、分布式的、智能合约功能完备的公共区块链平台。它不仅提供了一种去中心化的数字货币——以太币（Ether），更重要的是支持开发人员在其上创建和部署去中心化应用程序（DApps），利用智能合约实现复杂的业务逻辑。

  1. 以太坊与比特币的区别
    尽管以太坊和比特币都是基于区块链技术的加密货币系统，但它们在设计理念、功能特性和应用场景上存在显著差异：
  1. 以太坊的独特之处
    以太坊的创新之处在于其对智能合约的支持，以及由此带来的广泛应用场景：
  1. 以太坊支持的共识机制

以太坊在其发展过程中探索并支持了多种共识机制，包括：

2. 以太坊客户端（Geth）

Geth是官方提供的以太坊客户端实现，用Go语言编写，提供了与以太坊网络交互的主要接口。Geth的功能包括：

3. Clef

Clef是Ethereum项目中的一个轻量级密钥管理工具，旨在提高以太坊账户的安全性。Clef的主要功能包括：

4. Docker

Docker是一种容器化技术，通过将应用及其依赖打包成容器镜像，实现应用的快速部署、隔离运行和资源管理。在本次实验中，Docker用于：

5. Docker Compose

Docker Compose是一个用于定义和运行多容器Docker应用的工具，通过编写docker-compose.yml文件来定义服务、网络、卷等组件的配置。在实验中，Docker Compose用于：

理解上述概念和工具的基础功能后，实验者将具备搭建以太坊私有链网络所需的理论知识背景。接下来的实验内容与步骤将详细指导如何运用这些工具和知识完成实验目标。

3.1 启动节点

  1. 创建节点数据目录
    在本地主机上分别创建四个目录peer1, peer2, peer3, 和 peer4，用于存放各个节点的配置文件、区块链数据、账户信息等。

    mkdir peer1 peer2 peer3 peer4

  2. 配置Docker Compose文件

    • 编写docker-compose.yml：创建一个名为docker-compose.yml的文件，采用版本3的格式进行编排。
version: '3'
services:
  peer1:
    image: ethereum/client-go:alltools-stable
    tty: true
    ports:
      - "8545:8545"
      - "8546:8546"
      - "8547:8547"
      - "30303:30303"
      - "30303:30303/udp"
    volumes:
      - ./peer1/clef/:/root/.clef/
      - ./peer1/ethereum/:/root/.ethereum/
    environment:
      - TZ=Asia/Beijing

  peer2:
    image: ethereum/client-go:alltools-stable
    tty: true
    ports:
      - "9545:8545"
      - "9546:8546"
      - "9547:8547"
      - "31303:30303"
      - "31303:30303/udp"
    volumes:
      - ./peer2/clef/:/root/.clef/
      - ./peer2/ethereum/:/root/.ethereum/
    environment:
      - TZ=Asia/Beijing

  peer3:
    image: ethereum/client-go:alltools-stable
    tty: true
    ports:
      - "10545:8545"
      - "10546:8546"
      - "10547:8547"
      - "32303:30303"
      - "32303:30303/udp"
    volumes:
      - ./peer3/clef/:/root/.clef/
      - ./peer3/ethereum/:/root/.ethereum/
    environment:
      - TZ=Asia/Beijing

  peer4:
    image: ethereum/client-go:alltools-stable
    tty: true
    ports:
      - "11545:8545"
      - "11546:8546"
      - "11547:8547"
      - "33303:30303"
      - "33303:30303/udp"
    volumes:
      - ./peer4/clef/:/root/.clef/
      - ./peer4/ethereum/:/root/.ethereum/
    environment:
      - TZ=Asia/Beijing
  1. 启动4个节点
    运行docker-compose up -d命令，以守护模式启动由docker-compose.yml定义的所有服务，即同时启动四个以太坊节点。

3.2 初始化环境

  1. 在每个节点上创建账户

    通过Geth客户端在每个节点的数据目录下创建一个新的以太坊账户，生成公钥（地址）和私钥（密钥文件）。执行命令如下：

    geth account new

    输出将显示新账户的公钥（以0x开头的十六进制字符串）和密钥文件路径。

  2. 初始化并启动Clef

    使用Clef工具对账户进行安全管理和签名。在每个节点上执行Clef的相关命令以初始化其环境：

    clef --chainid=<chain_id> --suppress-bootwarn init
clef --chainid=<chain_id> --suppress-bootwarn setpw <account_address>

    其中<chain_id>是自定义的私有链标识符，<account_address>为之前创建的账户地址。

3.3 添加创世区块

  1. 编写创世区块配置文件genesis.json

    根据实验需求，创建一个名为genesis.json的文件，其中定义了私有链的初始状态，包括预设账户余额、难度、Gas限制等参数。确保每个节点都使用相同的创世区块配置。

  2. 初始化创世区块

    使用Geth的init命令，将genesis.json文件应用到每个节点的区块链上：

    geth init <path_to_genesis.json>

    这会初始化节点的数据库，使其基于指定的创世区块开始同步。

  3. 为每个节点设置Clef签名者

    • 初始化Clef：执行Clef的初始化命令，如前所述。
    • 存储账户密码：使用setpw命令为Clef设置关联账户的密码。
    clef --chainid=<Chain ID> --suppress-bootwarn setpw <Public address of the key>
    • 证明规则文件摘要：使用attest命令计算规则文件（如rules.js）的SHA256摘要，并仅保留摘要的第一部分。
    clef --chainid=<Chain ID> --suppress-bootwarn  attest  `sha256sum <rules.js file PATH> | cut -f1`
    • 启动Clef：运行Clef服务，使其开始监听并处理签名请求。
    clef --chainid=<Chain ID> --suppress-bootwarn --rules <rules.js file PATH>

  4. 启动GETH

    对于每个节点，执行以下命令来初始化Geth，指定网络ID、解锁账户、设置密码文件、指定Clef作为签名者，并提供启动时连接的其他节点信息（bootnodes）：

    geth --signer=<clef.ipc_path> \
--networkid=<network_id> \
--nat extip:<ip_address> \
--unlock=<account_address> \
--password=<password_file> \
--bootnodes=<enode_addresses>

    其中<clef.ipc_path>为Clef的IPC通信文件路径，<network_id>为私有链网络ID，<account_address>为需要解锁的账户地址，<password_file>为包含账户密码的文件路径，<enode_addresses>为其他节点的ENode地址列表，用逗号分隔。

3.4 节点互连

  1. 查看节点enode信息

    获取每个节点的ENode地址，它包含了节点的身份信息、网络地址和端口，用于节点间的发现和连接。可以在Geth控制台或通过命令行查询：

    geth attach <gath.ipc_path>
admin.nodeInfo.enode

    其中<gath.ipc_path>为Geth的IPC通信文件路径。

  2. 将其它节点enode添加到本节点

    将每个节点获取到的其他节点ENode地址添加到自身的--bootnodes参数中，以便在启动时自动连接这些已知节点，加速网络同步。

  3. 检查节点连接情况

    在Geth控制台中，使用admin.peers命令查看当前节点已连接的对等节点列表，验证所有节点是否成功互连并形成一个完整的私有链网络。

3.5 与Geth控制台交互

  1. 挖矿与账户相关

    在Geth控制台中，可以使用miner.start()命令启动节点的挖矿过程，使用miner.stop()命令停止挖矿，personal用于通过RPC管理账户、签署交易和数据。
    但需要注意由于以太坊正在逐步淘汰与工作量证明相关的命名空间和API,转而支持与Clef集成的外部签名者模式以支持权益证明共识机制，miner命名空间与personal命名空间已被废弃。现在仅作为历史参考,不建议在新的应用场景中使用。

  2. 查看余额,发送交易等操作

    • 获取区块: 使用eth.getBlock(0)命令获取创世区块的信息，改变数字可查看其他区块信息。
    • 区块总数： 执行eth.blockNunber以查询客户端所在的最新区块。
    • 查看余额：使用eth.getBalance(<address>)命令查询指定账户地址的以太币余额。通过web3.fromWei(eth.getBalance(eth.accounts[0]))返回以 Ether 为单位的余额。
    • 发送交易：通过执行eth.sendTransaction({from: <sender>, to: <receiver>, value: <amount>})命令发起一笔转账交易，其中<sender>和<receiver>为账户地址，<amount>为转账金额（单位为Wei）。

    以上操作均需在已连接的Geth控制台中执行，通过与节点的实时交互，可以直观地观察和验证私有链网络的运行状况、账户状态变化以及交易流程。

四、实验结果与数据处理

实验结果主要包括以下几个方面：

实验数据处理主要涉及对上述操作过程中产生的日志、控制台输出、交易记录等信息进行整理和分析，确保实验过程符合预期，验证实验目标的达成。

五、实验分析与总结

通过对实验过程的梳理和结果的分析，可以得出以下结论：

  1. 实验成功搭建了以太坊私有链网络：四个节点在Docker环境中顺利启动，通过ENode地址实现了互连，形成了一个功能完备的私有链网络。

  2. 掌握了关键操作技能：实验者熟练掌握了Linux命令行操作、Docker和Docker Compose的使用，以及Geth和Clef工具的配置与管理，达到了实验前设定的学习目标。

  3. 理解了分布式系统原理：通过多节点网络的搭建与调试，实验者对分布式系统的概念有了直观认识，理解了节点间如何通过P2P协议进行通信、同步数据和达成共识。

  4. 实践了以太坊核心功能：通过账户管理、挖矿、转账等操作，实验者亲身体验了以太坊网络的核心功能，加深了对区块链技术的理解。

实验过程中可能遇到的问题（如网络延迟、节点同步问题、规则文件错误等）及其解决方法也是宝贵的经验，有助于提升实验者的问题排查与解决能力。总体而言，本次实验有效地实现了理论知识与实践操作的结合，提升了实验者在以太坊及相关区块链技术领域的实践技能。