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以太坊私有链搭建指南

说明

一、为什么用到私有链?

在以太坊的共有链上部署智能合约、发起交易需要花费以太币。而通过修改配置,可以在本机搭建一套以太坊私有链,因为与公有链没关系,既不用同步公有链庞大的数据,也不用花钱购买以太币,很好地满足了智能合约开发和测试的要求,开发好的智能合约也可以很容易地切换接口部署到以太坊公有链上。

二、需要用到哪些工具?

  1. 以太坊客户端
    以太坊客户端用于接入以太坊网络,进行账户管理、交易、挖矿、智能合约相关的操作。目前有多种语言实现的客户端,常用的有 Go 语言实现的 go-ethereum 客户端 Geth,支持接入以太坊网络并成为一个完整节点,也可作为一个 HTTP-RPC 服务器对外提供 JSON-RPC 接口。
    其他的客户端有:
    • Parity:Rust 语言实现;
    • cpp-ethereum:C++ 语言实现;
    • ethereumjs-lib:JavaScript 语言实现;
    • Ethereum(J):Java 语言实现;
    • ethereumH:Haskell 语言实现;
    • pyethapp: Python 语言实现;
    • ruby-ethereum:Ruby 语言实现;
  2. 智能合约编译器
    以太坊支持两种智能合约的编程语言:Solidity 和 Serpent。Serpent 语言面临一些安全问题,现在已经不推荐使用了。Solidity 语法类似 JavaScript,它编译器 solc 可以把智能合约源码编译成以太坊虚拟机 EVM 可以执行的二进制码。
    现在以太坊提供更方便的在线 IDE —— Remix https://remix.ethereum.org 使用 Remix,免去了安装 solc 和编译过程,它可以直接提供部署合约所需的二进制码和 ABI。
  3. 以太坊钱包
    以太坊提供了图形界面的钱包 Ethereum Wallet 和 Mist Dapp 浏览器。钱包的功能是 Mist 的一个子集,可用于管理账户和交易;Mist 在钱包基础上,还能操作智能合约。为了演示合约部署过程,本文使用了 Geth console 操作,没有用到 Mist,当然,使用 Mist 会更简单。

安装环境

这里以 Ubuntu 16.04 为例进行介绍。

一、安装以太坊客户端

两种方式可选:PPA 直接安装、源码编译安装。

  1. PPA 直接安装
    安装必要的工具包:

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    apt install software-properties-common

    添加以太坊源:

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    add-apt-repository -y ppa:ethereum/ethereum
    apt update

    安装 go-ethereum:

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    apt install ethereum

    安装完成后,可以使用 geth version 命令查看是否安装成功。

  2. 源码安装
    因为 go-ethereum 使用 Go 语言编写,编译源码前需要配置好 Go 环境。

    配置 Go 语言环境
    参照 https://golang.org/doc/install
    简单地,以安装 go 1.9 为例:

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    2
    wget https://storage.googleapis.com/golang/go1.9.linux-amd64.tar.gz
    tar -C /usr/local -xzf go1.9.linux-amd64.tar.gz

    编辑 /etc/profile$HOME/.profile,在文件最后添加环境变量:

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    export PATH=$PATH:/usr/local/go/bin

    编辑 $HOME/profile$HOME/.bashrc,添加 go 工作目录环境变量:

    1
    export GOPATH=$HOME/gopath

    下载和编译 Geth
    安装 C 编译器:

    1
    apt install -y build-essential

    下载最新源码:

    1
    git clone https://github.com/ethereum/go-ethereum

    编译安装:

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    2
    cd go-ethereum
    make geth

    安装完成后,可以使用 geth version 命令查看是否安装成功。记得把生成的 geth 加入到系统的环境变量中。

二、安装 Solidity 编译器

Solidity 编译器也有多种方法安装,参照 http://solidity.readthedocs.io/en/latest/installing-solidity.html 这里介绍最简单快捷的安装方式:PPA 直接安装。

  1. PPA 直接安装

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    add-apt-repository ppa:ethereum/ethereum
    apt update
    apt install solc
  2. 官方推荐使用基于浏览器的 IDE 环境:Remix https://remix.ethereum.org

私有链搭建

一、配置初始状态

要运行以太坊私有链,需要定义自己的创世区块,创世区块信息写在一个 JSON 格式的配置文件中。首先将下面的内容保存到一个 JSON 文件中,例如 genesis.json

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{
"config": {
"chainID": 1024,
"homesteadBlock": 0,
"eip155Block": 0,
"eip158Block": 0
},
"alloc": {},
"coinbase": "0x0000000000000000000000000000000000000000",
"difficulty": "0x400",
"extraData": "0x0",
"gasLimit": "0x2fefd8",
"nonce": "0xdeadbeefdeadbeef",
"mixhash": "0x0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000",
"parentHash": "0x0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000",
"timestamp": "0x00"
}

其中,chainID 指定了独立的区块链网络 ID。网络 ID 在连接到其他节点的时候会用到,以太坊公网的网络 ID 是 1,为了不与公有链网络冲突,运行私有链节点的时候要指定自己的网络 ID。不同 ID 网络的节点无法相互连接。配置文件还对当前挖矿难度 difficulty、区块 Gas 消耗限制 gasLimit 等参数进行了设置。

在 Geth 1.6+ 中,以太坊提供了一个生成创世块的向导工具:puppeth。并且提供了更适合在私有链中使用的 Clique PoA 共识算法。puppeth 的使用,可以参照《利用puppeth搭建POA共识的以太坊私链网络

二、初始化:写入创世区块

准备好创世区块配置文件后,需要初始化区块链,将上面的创世区块信息写入到区块链中。首先要新建一个目录用来存放区块链数据,假设新建的数据目录为 ~/privatechain/data0genesis.json 保存在 ~/privatechain 中,此时目录结构应该是这样的:

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privatechain
├── data0
└── genesis.json

接下来进入 privatechain 中,执行初始化命令:

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cd privatechain
geth --datadir data0 init genesis.json

上面的命令的主体是 geth init,表示初始化区块链,命令可以带有选项和参数,其中 --datadir 选项后面跟一个目录名,这里为 data0,表示指定数据存放目录为 data0,genesis.json 是 init 命令的参数。

运行上面的命令,会读取 genesis.json 文件,根据其中的内容,将创世区块写入到区块链中。如果看到以下的输出内容,说明初始化成功了。

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WARN [09-12|04:01:09] No etherbase set and no accounts found as default
INFO [09-12|04:01:09] Allocated cache and file handles database=/root/work/privatechain/data0/geth/chaindata cache=16 handles=16
INFO [09-12|04:01:09] Writing custom genesis block
INFO [09-12|04:01:09] Successfully wrote genesis state database=chaindata hash=84e71d…97246e
INFO [09-12|04:01:09] Allocated cache and file handles database=/root/work/privatechain/data0/geth/lightchaindata cache=16 handles=16
INFO [09-12|04:01:09] Writing custom genesis block
INFO [09-12|04:01:09] Successfully wrote genesis state database=lightchaindata hash=84e71d…97246e

初始化成功后,会在数据目录 data0 中生成 gethkeystore 两个文件夹,此时目录结构如下:

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privatechain
├── data0
│   ├── geth
│   │   ├── chaindata
│   │   │   ├── 000001.log
│   │   │   ├── CURRENT
│   │   │   ├── LOCK
│   │   │   ├── LOG
│   │   │   └── MANIFEST-000000
│   │   └── lightchaindata
│   │   ├── 000001.log
│   │   ├── CURRENT
│   │   ├── LOCK
│   │   ├── LOG
│   │   └── MANIFEST-000000
│   └── keystore
└── genesis.json

其中 geth/chaindata 中存放的是区块数据,keystore 中存放的是账户数据。

三、启动私有链节点

初始化完成后,就有了一条自己的私有链,之后就可以启动自己的私有链节点并做一些操作,在终端中输入以下命令即可启动节点:

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geth --identity "TestNode" --rpc --rpcport "8545" --datadir data0 --port "30303" --nodiscover console

上面命令的主体是 geth console,表示启动节点并进入交互式控制台。
各选项含义如下:

  • –identity:指定节点 ID;
  • –rpc:表示开启 HTTP-RPC 服务;
  • –rpcport:指定 HTTP-RPC 服务监听端口号(默认为 8545);
  • –datadir:指定区块链数据的存储位置;
  • –port:指定和其他节点连接所用的端口号(默认为 30303);
  • –nodiscover:关闭节点发现机制,防止加入有同样初始配置的陌生节点。

运行上面的命令后,就启动了区块链节点并进入了该节点的控制台:

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...
Welcome to the Geth JavaScript console!

instance: Geth/TestNode/v1.6.7-stable-ab5646c5/linux-amd64/go1.8.1
modules: admin:1.0 debug:1.0 eth:1.0 miner:1.0 net:1.0 personal:1.0 rpc:1.0 txpool:1.0 web3:1.0

这是一个交互式的 JavaScript 执行环境,在这里面可以执行 JavaScript 代码,其中 > 是命令提示符。在这个环境里也内置了一些用来操作以太坊的 JavaScript 对象,可以直接使用这些对象。这些对象主要包括:

  • eth:包含一些跟操作区块链相关的方法;
  • net:包含一些查看p2p网络状态的方法;
  • admin:包含一些与管理节点相关的方法;
  • miner:包含启动&停止挖矿的一些方法;
  • personal:主要包含一些管理账户的方法;
  • txpool:包含一些查看交易内存池的方法;
  • web3:包含了以上对象,还包含一些单位换算的方法。

控制台操作

进入以太坊 Javascript Console 后,就可以使用里面的内置对象做一些操作,这些内置对象提供的功能很丰富,比如查看区块和交易、创建账户、挖矿、发送交易、部署智能合约等。

常用命令有:

  • personal.newAccount():创建账户;
  • personal.unlockAccount():解锁账户;
  • eth.accounts:枚举系统中的账户;
  • eth.getBalance():查看账户余额,返回值的单位是 Wei(Wei 是以太坊中最小货币面额单位,类似比特币中的,1 ether = 10^18 Wei);
  • eth.blockNumber:列出区块总数;
  • eth.getTransaction():获取交易;
  • eth.getBlock():获取区块;
  • miner.start():开始挖矿;
  • miner.stop():停止挖矿;
  • web3.fromWei():Wei 换算成以太币;
  • web3.toWei():以太币换算成 Wei;
  • txpool.status:交易池中的状态;
  • admin.addPeer():连接到其他节点;

这些命令支持 Tab 键自动补全,具体用法如下。

一、创建账户

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> personal.newAccount()
Passphrase:
Repeat passphrase:
"0x3443ffb2a5ce3f4b80080791e0fde16a3fac2802"
> INFO [09-12|05:55:44] New wallet appeared url=keystore:///root/work/privatech… status=Locked

输入两遍密码后,会生成账户地址。

再创建一个账户:

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> personal.newAccount()
Passphrase:
Repeat passphrase:
"0x02bee2a1582bbf58c42bbdfe7b8db4685d4d4c62"
> INFO [09-12|06:10:45] New wallet appeared url=keystore:///root/work/privatech… status=Locked

查看刚刚创建的两个账户:

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> eth.accounts
["0x3443ffb2a5ce3f4b80080791e0fde16a3fac2802", "0x02bee2a1582bbf58c42bbdfe7b8db4685d4d4c62"]

二、查看账户余额

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> eth.getBalance(eth.accounts[0])
0
> eth.getBalance(eth.accounts[1])
0

三、启动&停止挖矿

启动挖矿:

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> miner.start(1)

其中 start 的参数表示挖矿使用的线程数。第一次启动挖矿会先生成挖矿所需的 DAG 文件,这个过程有点慢,等进度达到 100% 后,就会开始挖矿,此时屏幕会被挖矿信息刷屏。

停止挖矿,在 console 中输入:

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> miner.stop()

挖到一个区块会奖励5个以太币,挖矿所得的奖励会进入矿工的账户,这个账户叫做 coinbase,默认情况下 coinbase 是本地账户中的第一个账户,可以通过 miner.setEtherbase() 将其他账户设置成 coinbase。

四、发送交易

目前,账户 0 已经挖到了 3 个块的奖励,账户 1 的余额还是0:

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> eth.getBalance(eth.accounts[0])
15000000000000000000
> eth.getBalance(eth.accounts[1])
0

我们要从账户 0 向账户 1 转账,所以要先解锁账户 0,才能发起交易:

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> personal.unlockAccount(eth.accounts[0])
Unlock account 0x3443ffb2a5ce3f4b80080791e0fde16a3fac2802
Passphrase:
true

发送交易,账户 0 -> 账户 1:

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> amount = web3.toWei(5,'ether')
"5000000000000000000"
> eth.sendTransaction({from:eth.accounts[0],to:eth.accounts[1],value:amount})
INFO [09-12|07:38:12] Submitted transaction fullhash=0x9f5e61f3d686f793e2df6378d1633d7a9d1df8ec8c597441e1355112d102a6ce recipient=0x02bee2a1582bbf58c42bbdfe7b8db4685d4d4c62
"0x9f5e61f3d686f793e2df6378d1633d7a9d1df8ec8c597441e1355112d102a6ce"

此时如果没有挖矿,用 txpool.status 命令可以看到本地交易池中有一个待确认的交易,可以使用 eth.getBlock("pending", true).transactions 查看当前待确认交易。

使用 miner.start() 命令开始挖矿:

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> miner.start(1);admin.sleepBlocks(1);miner.stop();

新区块挖出后,挖矿结束,查看账户 1 的余额,已经收到了账户 0 的以太币:

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> web3.fromWei(eth.getBalance(eth.accounts[1]),'ether')
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五、查看交易和区块

查看当前区块总数:

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> eth.blockNumber
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通过交易 Hash 查看交易(Hash 值包含在上面交易返回值中):

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> eth.getTransaction("0x9f5e61f3d686f793e2df6378d1633d7a9d1df8ec8c597441e1355112d102a6ce")
{
blockHash: "0xdc1fb4469bf4613821c303891a71ff0d1f5af9af8c10efdd8bcd8b518533ee7d",
blockNumber: 4,
from: "0x3443ffb2a5ce3f4b80080791e0fde16a3fac2802",
gas: 90000,
gasPrice: 18000000000,
hash: "0x9f5e61f3d686f793e2df6378d1633d7a9d1df8ec8c597441e1355112d102a6ce",
input: "0x",
nonce: 0,
r: "0x4214d2d8d92efc3aafb515d2413ecd45ab3695d9bcc30d9c7c06932de829e064",
s: "0x42822033225a2ef662b9b448576e0271b9958e1f4ec912c259e01c84bd1f6681",
to: "0x02bee2a1582bbf58c42bbdfe7b8db4685d4d4c62",
transactionIndex: 0,
v: "0x824",
value: 5000000000000000000
}

通过区块号查看区块:

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> eth.getBlock(4)
{
difficulty: 131072,
extraData: "0xd783010607846765746887676f312e382e31856c696e7578",
gasLimit: 3153874,
gasUsed: 21000,
hash: "0xdc1fb4469bf4613821c303891a71ff0d1f5af9af8c10efdd8bcd8b518533ee7d",
logsBloom: "0x00000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000",
miner: "0x3443ffb2a5ce3f4b80080791e0fde16a3fac2802",
mixHash: "0x6df88079cf4fbfae98ad7588926fa30becddf4b8b55f93f0380d82ce0533338c",
nonce: "0x39455ee908666993",
number: 4,
parentHash: "0x14fe27755d6fcc704f6b7018d5dc8193f702d89f2c7807bf6f0e402a2b0a29d9",
receiptsRoot: "0xfcb5b5cc322998562d96339418d08ad8e7c5dd87935f9a3321e040344e3fd095",
sha3Uncles: "0x1dcc4de8dec75d7aab85b567b6ccd41ad312451b948a7413f0a142fd40d49347",
size: 651,
stateRoot: "0xdd4a0ce76c7e0ff149853dce5bb4f99592fb1bc3c5e87eb07518a0235ffacd8c",
timestamp: 1505202063,
totalDifficulty: 525312,
transactions: ["0x9f5e61f3d686f793e2df6378d1633d7a9d1df8ec8c597441e1355112d102a6ce"],
transactionsRoot: "0xbb909845183e037b15d24fe9ad1805fd00350ae04841aa774be6af96e76fdbf9",
uncles: []
}

六、连接到其他节点

可以通过 admin.addPeer() 方法连接到其他节点,两个节点要要指定相同的 chainID。

假设有两个节点:节点一和节点二,chainID 都是 1024,通过下面的步骤就可以从节点一连接到节点二。

首先要知道节点二的 enode 信息,在节点二的 JavaScript console 中执行下面的命令查看 enode 信息:

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> admin.nodeInfo.enode
"enode://d465bcbd5c34da7f4b8e00cbf9dd18e7e2c38fbd6642b7435f340c7d5168947ff2b822146e1dc1b07e02f7c15d5ca09249a92f1d0caa34587c9b2743172259ee@[::]:30303"

然后在节点一的 JavaScript console 中执行 admin.addPeer(),就可以连接到节点二:

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> admin.addPeer("enode://d465bcbd5c34da7f4b8e00cbf9dd18e7e2c38fbd6642b7435f340c7d5168947ff2b822146e1dc1b07e02f7c15d5ca09249a92f1d0caa34587c9b2743172259ee@127.0.0.1:30304")

addPeer() 的参数就是节点二的 enode 信息,注意要把 enode 中的 [::] 替换成节点二的 IP 地址。连接成功后,节点二就会开始同步节点一的区块,同步完成后,任意一个节点开始挖矿,另一个节点会自动同步区块,向任意一个节点发送交易,另一个节点也会收到该笔交易。

通过 admin.peers 可以查看连接到的其他节点信息,通过 net.peerCount 可以查看已连接到的节点数量。

除了上面的方法,也可以在启动节点的时候指定 --bootnodes 选项连接到其他节点。

智能合约操作

一、创建和编译智能合约

新建一个 Solidity 智能合约文件,命名为 testContract.sol,该合约包含一个方法 multiply(),将输入的两个数相乘后输出:

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pragma solidity ^0.4.0;
contract TestContract
{
function multiply(uint a, uint b) returns (uint)
{
return a * b;
}
}

编译智能合约,获得编译后的 EVM 二进制码:

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$ solc --bin testContract.sol

======= testContract.sol:TestContract =======
Binary:
6060604052341561000f57600080fd5b5b60b48061001e6000396000f30060606040526000357c0100000000000000000000000000000000000000000000000000000000900463ffffffff168063165c4a1614603d575b600080fd5b3415604757600080fd5b60646004808035906020019091908035906020019091905050607a565b6040518082815260200191505060405180910390f35b600081830290505b929150505600a165627a7a72305820b494a4b3879b3810accf64d4cc3e1be55f2f4a86f49590b8a9b8d7009090a5d30029

再用 solc 获取智能合约的 JSON ABI(Application Binary Interface),其中指定了合约接口,包括可调用的合约方法、变量、事件等:

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$ solc --abi testContract.sol

======= testContract.sol:TestContract =======
Contract JSON ABI
[{"constant":false,"inputs":[{"name":"a","type":"uint256"},{"name":"b","type":"uint256"}],"name":"multiply","outputs":[{"name":"","type":"uint256"}],"payable":false,"stateMutability":"nonpayable","type":"function"}]

回到 Geth 的控制台,用变量 codeabi 记录上面两个值,注意在 code 前加上 0x 前缀:

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> code = "0x6060604052341561000f57600080fd5b5b60b48061001e6000396000f30060606040526000357c0100000000000000000000000000000000000000000000000000000000900463ffffffff168063165c4a1614603d575b600080fd5b3415604757600080fd5b60646004808035906020019091908035906020019091905050607a565b6040518082815260200191505060405180910390f35b600081830290505b929150505600a165627a7a72305820b494a4b3879b3810accf64d4cc3e1be55f2f4a86f49590b8a9b8d7009090a5d30029"
> abi = [{"constant":false,"inputs":[{"name":"a","type":"uint256"},{"name":"b","type":"uint256"}],"name":"multiply","outputs":[{"name":"","type":"uint256"}],"payable":false,"stateMutability":"nonpayable","type":"function"}]

二、部署智能合约

这里使用账户 0 来部署合约,首先解锁账户:

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> personal.unlockAccount(eth.accounts[0])
Unlock account 0x3443ffb2a5ce3f4b80080791e0fde16a3fac2802
Passphrase:
true

发送部署合约的交易:

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> myContract = eth.contract(abi)
...
> contract = myContract.new({from:eth.accounts[0],data:code,gas:1000000})

INFO [09-12|08:05:19] Submitted contract creation fullhash=0x0a7dfa9cac7ef836a72ed1d5bbfa65c0220347cde4efb067a0b03b15fb70bce1 contract=0x7cbe4019e993f9922b8233502d94890099ee59e6
{
abi: [{
constant: false,
inputs: [{...}, {...}],
name: "multiply",
outputs: [{...}],
payable: false,
stateMutability: "nonpayable",
type: "function"
}],
address: undefined,
transactionHash: "0x0a7dfa9cac7ef836a72ed1d5bbfa65c0220347cde4efb067a0b03b15fb70bce1"
}

此时如果没有挖矿,用 txpool.status 命令可以看到本地交易池中有一个待确认的交易。使用下面的命令查看当前待确认的交易:

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[{
blockHash: "0xfedd6fef9f25e96a5a20b5ffcd152e9fe05d193ae0989c25d6197d2441c2c09b",
blockNumber: 5,
from: "0x3443ffb2a5ce3f4b80080791e0fde16a3fac2802",
gas: 1000000,
gasPrice: 18000000000,
hash: "0x0a7dfa9cac7ef836a72ed1d5bbfa65c0220347cde4efb067a0b03b15fb70bce1",
input: "0x6060604052341561000f57600080fd5b5b60b48061001e6000396000f30060606040526000357c0100000000000000000000000000000000000000000000000000000000900463ffffffff168063165c4a1614603d575b600080fd5b3415604757600080fd5b60646004808035906020019091908035906020019091905050607a565b6040518082815260200191505060405180910390f35b600081830290505b929150505600a165627a7a72305820b494a4b3879b3810accf64d4cc3e1be55f2f4a86f49590b8a9b8d7009090a5d30029",
nonce: 3,
r: "0xfe7139a31694a36f946e7182c35c52a21bf31d33994490815f63f6674e84dc93",
s: "0x4701a984ee93d2a323fac55547b31534b11915599de75202a1d62061241fefbf",
to: null,
transactionIndex: 0,
v: "0x823",
value: 0
}]

使用 miner.start() 命令开始挖矿,一段时间后交易会被确认,随新区块进入区块链。

三、调用智能合约

使用以下命令发送交易,sendTransaction 方法的前几个参数应该与合约中 multiply 方法的输入参数对应。这种情况下,交易会通过挖矿记录到区块链中:

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> contract.multiply.sendTransaction(2, 4, {from:eth.accounts[0]})

INFO [09-12|08:24:14] Submitted transaction fullhash=0x29b47d580ba6ccb2445aa3ebdcb14567bd5cbc6004edef7a4064c36e0606bca2 recipient=0x7cbe4019e993f9922b8233502d94890099ee59e6
"0x29b47d580ba6ccb2445aa3ebdcb14567bd5cbc6004edef7a4064c36e0606bca2"

如果只是本地运行该方法查看返回结果,可以采用如下方式:

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> contract.multiply.call(2,4)
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术语说明

术语 说明
ABI Application Binary Interface,应用二进制接口 其中指定了合约接口,包括可调用的合约方法、变量、事件等。
DApp Decentralized App,去中心化的应用程序 基于智能合约的应用称为去中心化的应用程序。
EVM Ethereum Virtual Machine,以太坊虚拟机 以太坊智能合约的运行环境。
Gas (消耗的)汽油 在以太坊上发起交易、部署合约和调用合约都要消耗一定量的以太币,这些消耗的以太币称为 Gas。
Geth - 以太坊客户端 go-ethereum,使用 Go 语言编写,是最常用的以太坊客户端之一。
Solidity - 以太坊智能合约的一种编程语言,类似 JavaScript。
Remix IDE https://remix.ethereum.org 基于浏览器的 Solidity 集成开发环境,在浏览器中编写和调试智能合约。

参考内容

更多区块链资料,请访问 https://github.com/gymgle/blockchain-reference