區(qū)塊鏈筆記（4）用JS寫個(gè)簡(jiǎn)單的區(qū)塊鏈原型

binaryTree 發(fā)布于2019-06-27 19:17 / 574人閱讀

摘要：介紹了一些關(guān)于比特幣的概念與機(jī)制，為了加深理解，本文基于來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)單的區(qū)塊鏈原型，后續(xù)再對(duì)其進(jìn)行不斷豐富。概述如前所述區(qū)塊鏈模型的組成部分，包括區(qū)塊，區(qū)塊構(gòu)成的區(qū)塊鏈，以及保存區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)持久層等。

介紹了一些關(guān)于比特幣的概念與機(jī)制，為了加深理解，本文基于JavaScript來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)單的區(qū)塊鏈原型，后續(xù)再對(duì)其進(jìn)行不斷豐富。

1. 概述

如前所述區(qū)塊鏈模型的組成部分，包括區(qū)塊，區(qū)塊構(gòu)成的區(qū)塊鏈，以及保存區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)持久層等。一個(gè)超簡(jiǎn)單的UML類圖如下：

由于我是前端的，業(yè)余看了這么久區(qū)塊鏈的理論，還是手癢癢謝謝代碼，把這個(gè)類用JavaScript實(shí)現(xiàn)一下。寫完之后發(fā)現(xiàn)目前階段，對(duì)于區(qū)塊鏈原型來(lái)說還是太過簡(jiǎn)單，不過如果說用來(lái)做前端面試題，考察下面向?qū)ο蠛蚉romise等知識(shí)點(diǎn)倒是挺接洽。

2. 定義區(qū)塊數(shù)據(jù)模型

摘取比特幣區(qū)塊的詳情進(jìn)行修改，去除所有多余信息，只留下能描述區(qū)塊最基本的信息，聲明區(qū)塊類如下：

class Block {
    constructor(data) {
        // 區(qū)塊的屬性值
        this.hash = "";
        this.height = 0;
        this.body = data;
        this.time = 0;
        this.previousBlockHash = "";
    }
}

module.exports.Block = Block;

3. 數(shù)據(jù)持久層

其實(shí)用數(shù)組實(shí)現(xiàn)區(qū)塊鏈?zhǔn)亲詈?jiǎn)單的原型方案，但每次重啟數(shù)組都會(huì)被清空，數(shù)據(jù)并不持久。所以這里引入levelDB數(shù)據(jù)庫(kù)作為持久層來(lái)保存數(shù)據(jù)，相關(guān)操作可參考level。由于直接調(diào)用API，對(duì)于應(yīng)用層來(lái)說過于麻煩，所以在此聲明一個(gè)數(shù)據(jù)操作類LevelSandbox，該類不像傳統(tǒng)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)具有增、刪、改、查等全部功能，由于區(qū)塊鏈上數(shù)據(jù)的不可更改性，此類只包含增和查的操作。

3.1 根據(jù)key從數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取數(shù)據(jù)

本文如下相關(guān)異步實(shí)現(xiàn)，都采用Promise的方式而非回調(diào)，其中好處作為前端工程師此處就不多介紹了，有需要了解的可異步Promise介紹，自行擴(kuò)展閱讀。

getLevelDBData(key) {
    let self = this;
    return new Promise(function(resolve, reject) {
        self.db.get(key)
            .then(value => {
                console.log("Value = " + value);
                resolve(value)
            })
            .catch(err => {
                console.log("Not found!");
                reject(err)
            })
    });
}

3.2 將key/value數(shù)據(jù)插入數(shù)據(jù)庫(kù)中

以key/value的方式在數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)，其key值得選取，這里考慮使用區(qū)塊類中聲明的height字段，該字段標(biāo)識(shí)一個(gè)區(qū)塊在鏈中的位序，同時(shí)也具有唯一性，非常合適。

addLevelDBData(key, value) {
    let self = this;
    return new Promise(function(resolve, reject) {
        self.db.put(key, value)
            .then(() => resolve())
            .catch((err) => {
                console.log("Block " + key + " submission failed");
                reject(err)
            })
    });
}

3.3 獲取數(shù)據(jù)庫(kù)中區(qū)塊總數(shù)

createReadStream()方法創(chuàng)建一個(gè)讀取數(shù)據(jù)庫(kù)的流，這里的作用是為了遍歷整庫(kù)以獲取存儲(chǔ)的區(qū)塊總數(shù)，另外此方法還可通過傳參，設(shè)置遍歷次序，詳情可參閱文檔。

getBlocksCount() {
    let self = this;
    return new Promise(function(resolve, reject){
        let height = 0;
        self.db.createReadStream()
            .on("data", function () {
                height++;
            })
            .on("error", function (error) {
                reject("Unable to read data stream!", error);
            })
            .on("close", function () {
                resolve(height);
            });
    });
}

4. 區(qū)塊鏈類

該類主要負(fù)責(zé)將新創(chuàng)建的區(qū)塊添加進(jìn)區(qū)塊鏈，并驗(yàn)證鏈中各個(gè)區(qū)塊的數(shù)據(jù)完整性。這個(gè)過程中少不了對(duì)區(qū)塊數(shù)據(jù)的哈希處理，為方便起見，采用第三方庫(kù)crypto-js實(shí)現(xiàn)的SHA256方法。

構(gòu)想該類中的主要方法包括：

createGenesisBlock()：生成起始區(qū)塊

getBlockHeight()：獲取區(qū)塊鏈長(zhǎng)度

getBlock(height)：獲取指定區(qū)塊

addBlock(block)：將一個(gè)新區(qū)塊加入?yún)^(qū)塊鏈中

validateBlock(block)：驗(yàn)證某個(gè)區(qū)塊

validateChain()：驗(yàn)證區(qū)塊鏈

如下便實(shí)現(xiàn)其中主要的幾個(gè)方法：

4.1 增加新區(qū)塊

各個(gè)區(qū)塊通過previousBlockHash屬性，依次指向前一個(gè)區(qū)塊來(lái)連接成鏈的，除首區(qū)塊該屬性為空外。

addBlock(block) {
    return this.getBlockHeight()
        .then(height => {
            區(qū)塊高度
            block.height = height;
            // UTC 時(shí)間戳
            block.time = new Date().getTime().toString().slice(0, -3);
            if (height > 0) {
                this.getBlock(height - 1)
                    .then(preBlock => {
                        // 前一個(gè)區(qū)塊的哈希值
                        block.previousBlockHash = preBlock.hash;
                        // 對(duì)區(qū)塊進(jìn)行哈希處理
                        block.hash = SHA256(JSON.stringify(block)).toString();
                        // 將新區(qū)快存入庫(kù)中
                        this.bd.addLevelDBData(height, JSON.stringify(block));
                    })
                    .catch(error => console.log(error));
            } else {
                block.hash = SHA256(JSON.stringify(block)).toString();
                this.bd.addLevelDBData(height, JSON.stringify(block));
            }
        })
        .catch( error => console.log(error));
}

4.2 驗(yàn)證單個(gè)區(qū)塊完整性

驗(yàn)證方法就是應(yīng)用了hash算法的性質(zhì)：相同的數(shù)據(jù)經(jīng)過hash后會(huì)生成相同的hash值。

validateBlock(height) {
        // 獲取區(qū)塊的值
        return this.getBlock(height)
            .then(block => {
                const objBlock = JSON.parse(block);
                let blockHash = objBlock.hash;
                objBlock.hash = "";
                // 重新生成區(qū)塊的哈希值
                let validBlockHash = SHA256(JSON.stringify(objBlock)).toString();
                objBlock.hash = blockHash;
                // 比較以驗(yàn)證完整性
                if (blockHash === validBlockHash) {
                    return Promise.resolve({isValidBlock: true, block: objBlock});
                } else {
                    console.log("Block #"+blockHeight+" invalid hash:
"+blockHash+"<>"+validBlockHash);
                    return Promise.resolve({isValidBlock: false, block: objBlock});
                }
            })
    }

4.3 驗(yàn)證整個(gè)區(qū)塊鏈

通過依次校驗(yàn)每個(gè)區(qū)塊以驗(yàn)證整條鏈的完整性。

validateChain() {
    let errorLog = [];
    let previousHash = "";
    this.getBlockHeight()
        .then(height => {
            for (let i = 0; i < height; i++) {
                this.getBlock(i)
                    .then(block => this.validateBlock(block.height))
                    .then(({isValidBlock, block}) => {
                        if (!isValidBlock) errorLog.push(i);
                        if (block.previousBlockHash !== previousHash) errorLog.push(i);
                        previousHash = block.hash;
                        if (i === height - 1) {
                            if (errorLog.length > 0) {
                                console.log(`Block errors = ${errorLog.length}`)
                                console.log(`Blocks: ${errorLog}`)
                            } else {
                                console.log("No errors detected")
                            }
                        }
                    })
            }
        })
}

5. 生成測(cè)試數(shù)據(jù)

(function theLoop (i) {
    setTimeout(function () {
        let blockTest = new Block.Block("Test Block - " + (i + 1));
        myBlockChain.addBlock(blockTest).then((result) => {
            console.log(result);
            i++;
            if (i < 10) theLoop(i);
        });
    }, 10000);
})(0);

作為一個(gè)區(qū)塊鏈原型的樣子算是初見端倪，但就目前的功能來(lái)說還非常簡(jiǎn)陋，說是原型都算抬舉了，不過后面慢慢再豐富吧。這里也只算是對(duì)之前的一個(gè)實(shí)踐性的小節(jié)。

文中以列出主要代碼片段，整體實(shí)現(xiàn)其實(shí)不難，沒貼出所有代碼主要是為了表述思路更清晰些，若有朋友實(shí)現(xiàn)過程中有問題，可文下留言交流。