一種利用Raspberry 搭建區塊鏈私有鏈全節點的方法研究

牛巖松，宗峰

（山東英才學院信息工程學院，濟南250104）

0 引言

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

1 樹莓派簡介以及重裝系統

1.1 樹莓派簡介

Raspberry Pi 只有信用卡大小的微型電腦，其系統基于Linux。隨著Windows 10 IoT 的發布，我們也將可以用上運行Windows 的樹莓派。RaspberryPi 配備了一顆ARM11 系列，主頻為700M 的CPU，以SD 卡為內存硬盤，卡片主板周圍有兩個USB 接口和一個網口，可連接鍵盤、鼠標和網線[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和鍵盤，就能執行如電子表格、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，無內存、電源、鍵盤、機箱或連線，考慮到便于普及和成本的問題，又細分為Model-A 和Model-B 兩個版本。而且樹莓派在改裝成比特幣挖礦機，其在能耗方面的優勢將更加凸顯。

1.2 樹莓派重裝系統

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

使用Win32 Disk Image 安裝系統，下載好最新的樹莓派系統后解壓，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[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線連接，打開Win?dows 的網絡和共享中心，勾選允許其他網絡用戶通過此計算機的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 連接軟件進行連接[3]。

（3）各個節點通過編輯/etc/hostname 來修改機器名稱，通過編輯/etc/dhcpdc.conf 設置靜態IP 地址。

1.3 配置Wi-Fi

使用命令：sudo raspi-config 進行樹莓派配置，進入配置頁面后，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 區塊鏈共識機制

2.1 區塊鏈介紹

區塊鏈是一種以密碼學方式保證的不可篡改和不可偽造的分布式賬本。區塊鏈最早產生于2008 年1月中本聰提出區塊鏈的概念，再后來出現創世區塊鏈以及序號為1 的區塊鏈。區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，區塊鏈的核心技術包括分布式賬本，對稱加密和授權技術，共識機制，智能合約[4]。在從長遠的角度來看，數字貨幣交易完成了向全球交易平臺的轉移，在未來的數字貨幣將成為不可阻擋的歷史潮流，而在現實中，區塊鏈的大規模應用存在許多瓶頸，因此也是受到很多人的質疑。

2.2 共識機制比較選擇

（1）PoW（Proof-of-Work）

PoW 最著名的應用就是比特幣以及以太坊和一些其他基于PoW 協議的貨幣。其最大的缺點是會面臨51%以上的攻擊，但由于區塊鏈是不可變的，但是可以通過拒絕服務，來使得無法正常運行，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量加密貨幣的所有權，此機制會根據每個節點擁有代幣的比例和時間，依據算法等比例降低節點的挖礦難度，從而加快了尋找隨機數的速度[4]。這種機制相較于PoW 來說或許是一種好的選擇，但是它本質上仍然需要網絡中的系統但進行挖礦運算，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，您擁有許多預先批準的授權節點（即礦工）。您要添加任何新節點，必須由當前已有的礦工投票，這使您可以完全控制哪一些節點可以做為礦工。以太坊的PoA 協議稱為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 語言官方網站下載最新版本適合自己操作系統和框架的版本：在https：//studygolang.com/dl 下載解壓縮完成后需要設置添加環境變量，這里使用Linux。

vi/etc/profile 在最后面添加以下設置：

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，執行在Go 上實現的完整以太坊節點。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 是以太坊協議的具體落地實現，通過Geth，可以實現POA 協議的部署和執行[5]。

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

在此需要注意的是，有官方提供的二進制安裝包，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境變量，或者直接sudo mv geth/usr/bin。

Go-ethereum 客戶端安裝環境：

Apt install golang-y

Apt-get install-y build-essential

在Raspberry 下載Go 相應版本的源碼，編譯過程在其中一臺設備上進行即可，其余設備可通過WinScp上傳再執行完成。

2.5 創建簽名賬戶

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

在每個節點上運行geth--datadir node account new創建賬戶，需要注意的是要保存密碼，同時記住個節點賬戶（后續啟動賬戶需要）[6]。

3 搭建私有鏈

3.1 創建創世文件

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

3.2 私有鏈節點初始化

準備好JSON 配置文件后，進行初始化區塊鏈，將創世區塊信息寫入到區塊鏈中。第一步是進行新建一個目錄data（）用來存放區塊鏈數據，在這里目錄data（）相當于一個根節點[6]。

將上面生成的poa_test.json 文件通過WinScp 上傳到各節點/home/deling.json，執行 geth--datadir node init deling.json 來進行初始化。

3.3 啟動私有鏈節點

需要注意的是這時要使用全同步模式，就是--syn?cmode full，不然的話后續和服務器連接同步時可能會出錯。首次啟動節點是獲得節點enodeid，節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 首次啟動節點完成后的調整

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

4 結語

本文詳細介紹了基于樹莓派來搭建區塊鏈私有鏈的方法，在文中介紹對比了區塊鏈幾種共識機制，最終采用PoA 協議來搭建私有鏈，通過Go 語言以及Geth的運用，來實現以太坊協議的具體實現來完成PoA 協議的部署和執行，最終實現了私有鏈的搭建，該區塊鏈的搭建解決了國內某些行業因為缺乏數據儲存和追溯能力的不足的問題，希望可以為今后探索區塊鏈應用提供部分思路。