【區塊鏈Go語言實現】Part 1：區塊鏈基本原型

 

0x00 介紹

區塊鏈（Blockchain）是21世紀最具革命性的技術之一，目前它仍處於逐漸成熟階段，且其發展潛力還沒有被徹底意識到。從本質上講，區塊鏈只是一種記錄的分佈式數據庫。但它之因此獨特，是由於它並非一個私有的數據庫，而是一個公共數據庫，也就是說，每一個使用它的人都有一份完整或部分的數據副本。而且，只有在數據庫的其餘持有者贊成的狀況下，才能夠向區塊鏈中添加新的記錄。此外，正是區塊鏈使得加密貨幣和智能合約成爲可能。

在本系列文章中，咱們將基於區塊鏈構建一種簡單的加密貨幣。

0x01 區塊

首先，咱們從「區塊鏈」中的「區塊」介紹開始。在區塊鏈中，區塊是存儲有價值信息的塊。例如，比特幣區塊用於存儲交易，這是任何一種加密貨幣的本質。除此以外，區塊還包含一些技術信息，好比它的版本、當前時間戳和前一區塊的散列值（哈希值）。

在本文中，咱們不打算實現區塊鏈或比特幣規範中描述的那種區塊，而是使用它的簡化版本，即咱們將要實現的區塊結構中只包含重要的信息。下面代碼中爲咱們的區塊結構：

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

Timestamp（時間戳）是區塊建立時刻的時間戳，Data是包含在區塊中的實際有價值的信息，PrevBlockHas存儲前一區塊的散列值，而Hash是當前區塊的散列值。在比特幣規範中，Timestamp、PrevBlockHash和Hash是區塊頭，它們組成了一個單獨的數據結構，而交易（在咱們的例子中是Data）也是一個單獨的數據結構。爲了簡單起見，咱們此處將它們混合在一塊兒。

那麼如何計算散列值呢？散列值的計算方式是區塊鏈的一個十分重要的特性，正是該特性使得區塊鏈變得安全。計算一個區塊的散列值是一種計算上十分困難的操做，即便在快速計算機上也須要一些時間（這就是人們會購買強大的GPU來挖比特幣的緣由）。這是一種有意的架構設計，它使得添加新的區塊變得很困難，所以能夠防止對已有區塊的篡改。咱們將在之後的文章中討論並實現這種機制。

如今，咱們僅僅使用區塊字段，鏈接它們，並在鏈接的組合上計算一個SHA-256散列值。下面，咱們使用SetHash方法來實現這一操做：

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，依照Golang慣例，咱們將實現一個函數來簡化區塊的建立：

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

這樣，咱們就準備好了區塊的工做！

0x02 區塊鏈

如今，咱們來實現一個區塊鏈。實質上，區塊鏈只是一個包含某些特定結構的數據庫：它是一種有序的反向連接列表。這意味着區塊以插入順序進行存儲，並每一個區塊會連接到前一區塊。這個結構可以保證快速得到一個區塊鏈中最新的區塊，並可以經過區塊散列值高效地獲取到該區塊。

在Golang中，可使用一個數組和一個map來實現這種結構：數組用於保存有序的散列（在Go中數組是有序的），而map用於保存散列->區塊對（map是無序的）。然而，對於咱們的區塊鏈原型來講，咱們僅僅使用一個數組，由於如今咱們不須要經過區塊的散列來得到對應的區塊。

type Blockchain struct {
    blocks []*Block
}

這是咱們的第一個區塊鏈，我從未想過它會這麼容易。

如今咱們實現添加區塊的功能：

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

這樣就完了麼？No！

爲了向區塊鏈中添加一個新區塊，咱們須要確保已經存在了一個區塊，可是目前咱們的區塊鏈中並未存在任何區塊。因此，在任何區塊鏈中，都必須存在至少一個區塊，區塊鏈中的首個區塊稱爲創世區塊。下面，咱們實現一個方法來建立創世區塊：

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

如今，咱們能夠實現一個函數來使用創世區塊建立一個區塊鏈：

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

下面，咱們來檢查一下咱們的區塊鏈是否可以正常工做：

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\n", block.PrevBlockHash)
        fmt.Printf("Data: %s\n", block.Data)
        fmt.Printf("Hash: %x\n", block.Hash)
        fmt.Println()
    }
}

輸出結果以下：

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

經過上面的結果，咱們能夠肯定該區塊鏈能夠正常工做。

0x03 結論

本文中，咱們建立了一個很是簡單的區塊鏈原型：它僅僅是一個區塊數組，其中每一個區塊都有一個連接到前一區塊，不過實際的區塊鏈要比這複雜得多。在咱們的區塊鏈中，添加新的區塊簡單快速，但在實際的區塊鏈中添加新區塊則須要作一些工做：在獲取添加區塊的權限以前，區塊添加者（或者說節點）必須執行一些繁重的計算（這種機制稱爲工做證實，Proof-of-Work，POW）。此外，區塊鏈是一種分佈式數據庫，因此並無一個惟一的決策者。所以，一個新的區塊必須由網絡中的其餘參與者確認和批准（這種機制稱爲共識機制）。最後，目前咱們的區塊鏈中尚未交易!在後續的文章中咱們將逐步討論這些功能和特色。

下一篇《【區塊鏈Go語言實現】Part 2：工做量證實機制POW》中咱們將介紹區塊鏈中的工做量證實機制。

 

英文連接：https://jeiwan.cc/posts/building-blockchain-in-go-part-1/