Rubyでブロックチェーンをできるだけ丁寧に実装して理解する(ネットワーク編 Vol.1)

Rubyでブロックチェーンを実装する

第6回目です。
第1回はウォレットを作成して秘密鍵・公開鍵・ビットコインアドレスを発行してみました。
第2回は単純なトランザクションについて実装してみました。
第3回はトランザクションに対する署名を実装しました。
第4回はトランザクションをブロックに格納し、ブロックチェーンを作りました。
第5回はプルーフオブワークを実装しました。

全てのソースコードはgithubに公開しています。
github.com

前提

過去5回の実装が終わっていることを前提とします。
Rubyでブロックチェーンをできるだけ丁寧に実装して理解する(ウォレット編) - Work Records
Rubyでブロックチェーンをできるだけ丁寧に実装して理解する(トランザクション編) - Work Records
Rubyでブロックチェーンをできるだけ丁寧に実装して理解する(署名編) - Work Records
Rubyでブロックチェーンをできるだけ丁寧に実装して理解する(ブロック編) - Work Records
Rubyでブロックチェーンをできるだけ丁寧に実装して理解する(プルーフオブワーク編) - Work Records

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ブロックチェーンのネットワークについて

今までの実装では、ブロックチェーンの各機能の動きに関して必要な部分を実装してきました。
今回はからは少し毛色が異なり、ブロックチェーンのネットワーク自体を実装して見たいと思います。
とはいえ、流石に本格的なP2Pネットワークを作るわけにもいかないので簡単な機能を持つノードを3つ立て、超簡易なブロックチェーンネットワークを構築してみようと思います。

ノードの要件定義

それぞれが独立して動けるフルノードを作成していきます。要件は次のように決めてそのように作っていきます。

システム要件

• ノードはhttpサーバーとして作成し、全ての動作はAPI経由とする
• データの保存はこれまで通りRedisとし、各ノードに一つづつRedisを保持する
• 全てのノードはウォレットを持っている

ジェネシスブロック

• マスターノードを一つ決める
• このマスターノードがジェネシスブロックを発行する

その他のノード

• その他のノードは、マスターノードからジェネシスブロックを受け取る

トランザクションの発行

• 全てのノードは自分のウォレットからの送金トランザクションを発行できる機能を持つ
• トランザクションを発行したら自分が知っているノードリストにそのトランザクションをPOSTする

トランザクションの検証

• 各ノードはトランザクションを受け取ると全てmem poolに入れておく
• ある程度トランザクションが溜まったタイミングでブロックを発行するためにトランザクションの検証とPoWの作業に入る。
• PoWが終わった段階でそのブロックを全てのノードに伝播させる

ブロックの検証と取り込み

• ブロックが伝播されてきたノードは、その時点で自分のPoW作業を中止し、ブロックの検証に入る
• ブロックが正常であればそのブロックは各ノードのブロックチェーンに保管される

こんな具合になります。詳細はもう少し複雑ではありますが、このような流れで実装して見たいと思います。

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APIサーバーを立ち上げる

まず、各ノードはAPIで全てのやり取りを行うためそういった仕組みのサーバーを作ってみようと思います。
一つのPCでの作業が行えるようにするため、docker-composeにより複数環境を作れるようにします。

rubyのhttpサーバー

まずはシンプルなhttpサーバーを作り、ウォレットの作成と取得のAPIを生やしていきます。
http_server.rbという名前で作っていきます。

require 'webrick'
require './servlets.rb'

server = WEBrick::HTTPServer.new({
  :DocumentRoot => './',
  :BindAddress => '0.0.0.0',
  :Port => 8000
})

# /wallet にWalletSerlvetをマウントする
server.mount('/wallet', WalletServlet)

Signal.trap('INT'){server.shutdown}
server.start

WalletSerlvetはservlets.rbに書いていきます。
中身は単純に、GETできた場合にはwalletを取得しアドレスを返す、POSTできた場合にはwalletを新規作成します。

require './wallet.rb'

class WalletServlet < WEBrick::HTTPServlet::AbstractServlet
  def do_GET(req, res)
    wallet = Wallet.new
    wallet.load
    if wallet.public_key
      res.body = wallet.address
      res.status = 200
    else
      res.status = 404
    end
  end
  def do_POST(req, res)
    wallet = Wallet.new
    wallet.create_key
    wallet.save
    res.body = wallet.address
    res.status = 201
  end
end

wallet.rbにも少し手を加えます。
今までは、ネットワークという概念がなかったので一つのRedisに3つのウォレットを作成してきましたが、これからは1ノードに1ウォレットとしていきます。勿論複数のウォレットを持つことは可能ですが単純化のためです。
Redis用のkeyは"wallet"とし、loadとsaveメソッドも変更していきます。

class Wallet
  attr_accessor :private_key, :public_key

  def initialize
    # 簡単のために1ウォレっとにするのでkeyをwalletでRedisから取得する
    @key = 'wallet'
    @private_key = nil
    @public_key = nil
  end

  # ~ 略 ~

  # key=walletでRedisから取得し、もしなければreturnする
  def load
    db = Database.new
    begin
      saved_wallet = db.restore(@key)
    rescue StandardError
      return
    end
    @private_key = saved_wallet.private_key
    @public_key = saved_wallet.public_key
    self
  end

  # ~ 略 ~

  # key=walletで保存する
  def save
    db = Database.new
    db.save(@key, self)
  end

docker-composeによるサーバーの立ち上げ

コードはこれで編集完了ですが、複数のサーバーを立ち上げていくため、docker-composeによる立ち上げを行なっていきます。
以下のようなファイルを追加します。

docke-comose.yml

node1:
  build: .
  environment:
    - REDIS_HOST=redis1
  ports:
    - "8001:8000"
  volumes:
    - .:/app
  links:
    - redis1
  command: ruby http_server.rb
redis1:
  image: redis

DockerfileとGemfile

FROM ruby:2.5.1
WORKDIR /app
ADD Gemfile* $WORKDIR/
RUN bundle install

source 'https://rubygems.org'

gem 'base58'
gem 'ecdsa'
gem 'redis'

また、databaseの接続先を環境変数に変更するため、database.rbにも少し修正を加えます。

   def initialize
     @redis = Redis.new(host: ENV['REDIS_HOST'], port: 6379, db: 06)
   end

これで準備が整いました。

walletのAPIを叩いてみる

サーバーを起動して見ます。

$ docker-compose up -d
Creating 06-network_redis1_1 ... done
Creating 06-network_node1_1  ... done

$ docker-compose ps
       Name                      Command               State           Ports         
-------------------------------------------------------------------------------------
06-network_node1_1    ruby http_server.rb              Up      0.0.0.0:8001->8000/tcp
06-network_redis1_1   docker-entrypoint.sh redis ...   Up      6379/tcp

8001番ポートでリッスンしているのでそこにリクエストを投げて見ます。
まずはPOSTでウォレットを作成します。

$ curl -X POST http://127.0.0.1:8001/wallet
1HiA8wau2VDjQgknNXayqood53rs2o68CP

次にGETしてみます。

$ curl -X GET http://127.0.0.1:8001/wallet
1HiA8wau2VDjQgknNXayqood53rs2o68CP

作成したウォレットが取得できました。

2つめ、3つ目のノードを立ててみる

docker-composeができているのでここに追加するだけです。

node1:
  build: .
  environment:
    - REDIS_HOST=redis1
  ports:
    - "8001:8000"
  volumes:
    - .:/app
  links:
    - redis1
  command: ruby http_server.rb
redis1:
  image: redis

node2:
  build: .
  environment:
    - REDIS_HOST=redis2
  ports:
    - "8002:8000"
  volumes:
    - .:/app
  links:
    - redis2
  command: ruby http_server.rb
redis2:
  image: redis

node3:
  build: .
  environment:
    - REDIS_HOST=redis3
  ports:
    - "8003:8000"
  volumes:
    - .:/app
  links:
    - redis3
  command: ruby http_server.rb
redis3:
  image: redis

ということでこちらにもリクエストを送ってみます。

$ curl -X POST http://127.0.0.1:8002/wallet
13dbzCGBe2bmv6mp52DFZd5xYYzTy6Bn94

$ curl -X GET http://127.0.0.1:8002/wallet
13dbzCGBe2bmv6mp52DFZd5xYYzTy6Bn94

問題なさそうです。

まとめ

今回は、ブロックチェーンネットワークを作るためにdocker-composeを利用した簡単なhttpサーバーを立てて見ました。
また、walletの作成と取得をするAPIを作成しました。

次回

次回はジェネシスブロックを作成し、他のノードがそのブロックを同期できるようにしていきます。