用 Go 構(gòu)建一個區(qū)塊鏈 ---- Part 1: 基本原型

ZoomQuiet 發(fā)布于2019-06-27 18:13 / 3403人閱讀

摘要：在區(qū)塊鏈中，存儲有效信息的是區(qū)塊。存儲的是前一個塊的哈希。正是由于這個特性，才使得區(qū)塊鏈是安全的。這樣的結(jié)構(gòu)，能夠讓我們快速地獲取鏈上的最新塊，并且高效地通過哈希來檢索一個塊。

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引言

區(qū)塊鏈是 21 世紀最具革命性的技術(shù)之一，它仍然處于不斷成長的階段，而且還有很多潛力尚未顯現(xiàn)出來。本質(zhì)上，區(qū)塊鏈只是一個分布式數(shù)據(jù)庫而已。不過，使它獨一無二的是，區(qū)塊鏈是一個公開的數(shù)據(jù)庫，而不是一個私人數(shù)據(jù)庫，也就是說，每個使用它的人都有一個完整或部分的副本。只有經(jīng)過其他數(shù)據(jù)庫管理員的同意，才能向數(shù)據(jù)庫中添加新的記錄。此外，也正是由于區(qū)塊鏈，才使得加密貨幣和智能合約成為現(xiàn)實。

在本系列文章中，我們將實現(xiàn)一個簡化版的區(qū)塊鏈，基于它來構(gòu)建簡化版的加密貨幣。

區(qū)塊

讓我們從 “區(qū)塊鏈” 中的 “區(qū)塊” 談起。在區(qū)塊鏈中，存儲有效信息的是區(qū)塊。比如，比特幣區(qū)塊存儲的有效信息，就是比特幣交易，交易信息也是所有加密貨幣的本質(zhì)。除此以外，區(qū)塊還包含了一些技術(shù)信息，比如版本，當(dāng)前時間戳和前一個區(qū)塊的哈希。

在本文中，我們并不會實現(xiàn)一個像比特幣技術(shù)規(guī)范所描述的區(qū)塊鏈，而是實現(xiàn)一個簡化版的區(qū)塊鏈，它僅包含了一些關(guān)鍵信息。看起來就像是這樣：

type Block struct {
    Timestamp     int64
    Data          []byte
    PrevBlockHash []byte
    Hash          []byte
}

Timestamp 是當(dāng)前時間戳，也就是區(qū)塊創(chuàng)建的時間。

Data 是區(qū)塊存儲的實際有效的信息。

PrevBlockHash 存儲的是前一個塊的哈希。

Hash 是當(dāng)前塊的哈希。

在比特幣技術(shù)規(guī)范中，Timestamp, PrevBlockHash, Hash 是區(qū)塊頭（block header），區(qū)塊頭是一個多帶帶的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。而交易，也就是這里的 Data, 是另一個多帶帶的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。為了簡便起見，我把這兩個混合在了一起。

那么，我們要如何計算哈希呢？如何計算哈希，是區(qū)塊鏈一個非常重要的部分。正是由于這個特性，才使得區(qū)塊鏈是安全的。計算一個哈希，是在計算上非常困難的一個操作。即使在高速電腦上，也要花費不少時間 (這就是為什么人們會購買 GPU 來挖比特幣) 。這是一個有意為之的架構(gòu)設(shè)計，它故意使得加入新的區(qū)塊十分困難，因此可以保證區(qū)塊一旦被加入以后，就很難再進行修改。在本系列未來幾篇文章中，我們將會討論和實現(xiàn)這個機制。

目前，我們僅取了 Block 結(jié)構(gòu)的一些字段（Timestamp, Data 和 PrevBlockHash），并將它們相互連接起來，然后在連接后的結(jié)果上計算一個 SHA-256 的哈希. 讓我們在 SetHash 方法中完成這個任務(wù)：

func (b *Block) SetHash() {
    timestamp := []byte(strconv.FormatInt(b.Timestamp, 10))
    headers := bytes.Join([][]byte{b.PrevBlockHash, b.Data, timestamp}, []byte{})
    hash := sha256.Sum256(headers)

    b.Hash = hash[:]
}

接下來，按照 Golang 的慣例，我們會實現(xiàn)一個用于簡化創(chuàng)建一個區(qū)塊的函數(shù)：

func NewBlock(data string, prevBlockHash []byte) *Block {
    block := &Block{time.Now().Unix(), []byte(data), prevBlockHash, []byte{}}
    block.SetHash()
    return block
}

這就是區(qū)塊部分的全部內(nèi)容了！

區(qū)塊鏈

下面讓我們來實現(xiàn)一個區(qū)塊鏈。本質(zhì)上，區(qū)塊鏈僅僅是一個有著特定結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)庫，是一個有序，后向連接的列表。這也就是說，區(qū)塊按照插入的順序進行存儲，每個塊都被連接到前一個塊。這樣的結(jié)構(gòu)，能夠讓我們快速地獲取鏈上的最新塊，并且高效地通過哈希來檢索一個塊。

在 Golang 中，可以通過一個 array 和 map 來實現(xiàn)這個結(jié)構(gòu)：array 存儲有序的哈希（Golang 中 array 是有序的），map 存儲 hask -> block 對(Golang 中, map 是無序的)。但是在基本的原型階段，我們只用到了 array，因為現(xiàn)在還不需要通過哈希來獲取塊。

type Blockchain struct {
    blocks []*Block
}

這就是我們的第一個區(qū)塊鏈！我從來沒有想過它會是這么容易。

現(xiàn)在，讓我們能夠給它添加一個塊：

func (bc *Blockchain) AddBlock(data string) {
    prevBlock := bc.blocks[len(bc.blocks)-1]
    newBlock := NewBlock(data, prevBlock.Hash)
    bc.blocks = append(bc.blocks, newBlock)
}

完成！不過，真的就這樣了嗎？

為了加入一個新的塊，我們必須要有一個已有的塊，但是，現(xiàn)在我們的鏈是空的，一個塊都沒有！所以，在任何一個區(qū)塊鏈中，都必須至少有一個塊。這樣的塊，也就是鏈中的第一個塊，通常叫做創(chuàng)世塊（genesis block）. 讓我們實現(xiàn)一個方法來創(chuàng)建一個創(chuàng)世塊：

func NewGenesisBlock() *Block {
    return NewBlock("Genesis Block", []byte{})
}

現(xiàn)在，我們可以實現(xiàn)一個函數(shù)來創(chuàng)建有創(chuàng)世塊的區(qū)塊鏈：

func NewBlockchain() *Blockchain {
    return &Blockchain{[]*Block{NewGenesisBlock()}}
}

來檢查一個我們的區(qū)塊鏈是否如期工作：

func main() {
    bc := NewBlockchain()

    bc.AddBlock("Send 1 BTC to Ivan")
    bc.AddBlock("Send 2 more BTC to Ivan")

    for _, block := range bc.blocks {
        fmt.Printf("Prev. hash: %x
", block.PrevBlockHash)
        fmt.Printf("Data: %s
", block.Data)
        fmt.Printf("Hash: %x
", block.Hash)
        fmt.Println()
    }
}

輸出：

Prev. hash:
Data: Genesis Block
Hash: aff955a50dc6cd2abfe81b8849eab15f99ed1dc333d38487024223b5fe0f1168

Prev. hash: aff955a50dc6cd2abfe81b8849eab15f99ed1dc333d38487024223b5fe0f1168
Data: Send 1 BTC to Ivan
Hash: d75ce22a840abb9b4e8fc3b60767c4ba3f46a0432d3ea15b71aef9fde6a314e1

Prev. hash: d75ce22a840abb9b4e8fc3b60767c4ba3f46a0432d3ea15b71aef9fde6a314e1
Data: Send 2 more BTC to Ivan
Hash: 561237522bb7fcfbccbc6fe0e98bbbde7427ffe01c6fb223f7562288ca2295d1

總結(jié)

我們創(chuàng)建了一個非常簡單的區(qū)塊鏈原型：它僅僅是一個數(shù)組構(gòu)成的一系列區(qū)塊，每個塊都與前一個塊相關(guān)聯(lián)。真實的區(qū)塊鏈要比這復(fù)雜得多。在我們的區(qū)塊鏈中，加入新的塊非常簡單，而且很快，但是在真實的區(qū)塊鏈中，加入新的塊需要很多工作：你必須要經(jīng)過十分繁重的計算（這個機制叫做工作量證明），來獲得添加一個新塊的權(quán)力。并且，區(qū)塊鏈是一個沒有單一決策者的分布式數(shù)據(jù)庫。因此，一個新的塊必須要被網(wǎng)絡(luò)的其他參與者確認和同意（這個機制叫做共識（consensus））。還有一點，我們的區(qū)塊鏈還沒有任何的交易！

在接下來的文章的我們將會一一覆蓋這些特性。

本文涉及的源代碼：part_1

區(qū)塊哈希算法：https://en.bitcoin.it/wiki/Bl...

原文：

Building Blockchain in Go. Part 1: Basic Prototype