.Net Core實現區塊鏈初探

區塊鏈這麼火，咱也跟個風。

 

1、前言

最近，銀行總行關於數字貨幣即將推出的消息頻傳，把BTC也帶得來了一波反彈。

藉着這個風，咱們也研究一下區塊鏈。

 

一般你們說到區塊鏈，實際包括兩部分概念：

第一個概念，就是狹義上的區塊鏈。聽起來很高大上又很複雜，但追根到底，它就是一種加密應用。

提起加密，咱們腦殼裏會顯現出：DES、3DES、AES、RSA、DSA、SHA-一、MD5……不少不少。

狹義的區塊鏈，其實就是使用這些加密技術而造成的一種應用。

這個應用又分爲兩個部分：

1. 區塊

區塊就是存放數據的一個獨立空間。

很差理解？舉個例子：咱們在紙上寫個做文，寫了好幾篇。那每一篇紙上，都會有一些咱們寫的內容。這個內容，就是數據。而這張紙，就是一個區塊。

因此，區塊就是放某些數據的一個特定的獨立的空間。

根據須要，一個數據能夠放在一個區塊上，也能夠放在多個區塊上。同時，一個區塊能夠只存放一個數據，也能夠存放不少個數據。這兒不須要太糾結怎麼放，本身決定就好。區塊鏈關注的是數據的存放方式，而不是數據自己。

2. 鏈

鏈這個概念更簡單，就是把上面說的區塊，用一個鏈表記錄下來。

既然說到鏈表，就能想到，在鏈表上記錄的區塊，是有次序的。此外，最重要的是，鏈裏的每個區塊，在記錄數據的同時，也同時記錄了他的前一個區塊的信息（在區塊鏈裏，稱之爲指紋）。

換句話說就是，每一個區塊裏，都記錄着這個區塊前邊全部區塊的信息，同時，每一個區塊，都對這個區塊後邊的全部區塊產生影響。

 

這樣的設計，會造成這樣的效果：當改變一個區塊的數據時，須要同時把這個區塊後邊全部區塊的指紋信息所有進行同步更新。若是僅僅只改變這個區塊自己的內容，那後邊的區塊會很容易經過指紋來驗證這個區塊非法和無效。

第二個概念，是分佈式存儲

上面區塊鏈的概念中，在數據保存上有一個漏洞：若是一個非法用戶真的把一個區塊以及這個區塊後邊的全部區塊都修改了，那他就改變了這個區塊鏈裏保存的數據。怎麼破？

一個有效的方式，就是分佈式存儲。把這樣一個鏈，存放在不少個地方，每一個地方都有這個鏈的一個副本。系統驗證一個區塊是否合法，除了驗證鏈的合法性外，還須要驗證這個區塊在各處保存的副本是否一致。系統承認超過半數一致的區塊爲合法區塊。

這樣，非法用戶若是想改變一個區塊的數據，不只須要修改這個鏈，同時還須要把這個鏈在各處的副本中半數以上的記錄也修改了。當這個副本的數量很大時，這將變成一個不可能完成的任務。

 

固然，在互聯網上，安全永遠是相對的。去年幣圈最大的事件，就是真的有一幫子黑客，利用廉價的服務器，造出了超過半數的區塊鏈副本，而後修改區塊數據，並讓這些超過半數的副本承認並覆蓋了正常的區塊鏈數據，從而盜取了大量的數字幣並拋售。

這是題外話。

 

區塊鏈的概念就說到這裏。

今天的代碼，咱們僅研究區塊鏈的原理和方法。分佈式存儲，有興趣的話，能夠研究一下P2P的種子結構和下載原理，路數是同樣的。

下面上代碼。

    爲了防止不提供原網址的轉載，特在這裏加上原文連接：http://www.javashuo.com/article/p-xgdbmfyh-bd.html

2、開發環境&基礎工程

這個Demo的開發環境是：Mac + VS Code + Dotnet Core 3.1.2。

$ dotnet --info
.NET Core SDK (reflecting any global.json):
 Version:   3.1.201
 Commit:    b1768b4ae7

Runtime Environment:
 OS Name:     Mac OS X
 OS Version:  10.15
 OS Platform: Darwin
 RID:         osx.10.15-x64
 Base Path:   /usr/local/share/dotnet/sdk/3.1.201/

Host (useful for support):
  Version: 3.1.3
  Commit:  4a9f85e9f8

.NET Core SDKs installed:
  3.1.201 [/usr/local/share/dotnet/sdk]

.NET Core runtimes installed:
  Microsoft.AspNetCore.App 3.1.3 [/usr/local/share/dotnet/shared/Microsoft.AspNetCore.App]
  Microsoft.NETCore.App 3.1.3 [/usr/local/share/dotnet/shared/Microsoft.NETCore.App]

 

首先，在這個環境下創建工程：

1. 建立Solution

% dotnet new sln -o demo
The template "Solution File" was created successfully.

2. 此次，咱們用Console建立工程

% cd demo
% dotnet new webapi -o demo
The template "Console Application" was created successfully.

Processing post-creation actions...
Running 'dotnet restore' on demo/demo.csproj...
  Determining projects to restore...
  Restored demo/demo.csproj (in 170 ms).

Restore succeeded.

基礎工程搭建完成。

3、建立區塊Model

在工程下面，建立一個目錄Models，並在目錄下創建類Block.cs：

public class Block
{
    public DateTimeOffset time_stamp { get; set; }
    public object data { get; set; }
    public string pre_hash { get; set; }
    public string hash { get; set; }
    public string nonce { get; set; }
}

解釋一下各個字段：

time_stamp：時間戳，也就是這個區塊的建立時間

data：數據，能夠是任意類型，是咱們要用區塊鏈來保存的數據

pre_hash：前一個區塊的hash值

hash：當前區塊的hash值

nonce：隨機數

在這幾個字段中，真正在區塊鏈中起做用的是後面三個字段：pre_hash、hash、nonce。

在計算中，hash值是由這個區塊的pre_hash、data、time_stamp、nonce四個字段共同計算產生。

這樣作，一方面，咱們經過hash值能夠驗證保存的數據data，同時，也把前一個區塊的hash信息保存到了這個區塊中。

nonce字段在這個demo中，實際意義不大，但在實際項目中，卻有它的實用價值。比方BTC中，要求hash值有特定的格式（至少前8個字節全是0），須要經過改變nonce的值，來獲得這樣的hash。又由於hash沒法逆向計算，因此只能用窮舉法修改nonce，一個一個計算並測試hash，這個過程叫WK，

4、建立鏈

有了區塊model，建立鏈很簡單。

咱們建立一個BlockChains類，並在裏面用SortedList創建一個鏈。

public class BlockChains
{
    private static SortedList<int, Block> _block_chains = new SortedList<int, Block>();
}

鏈也建完了。

後面，咱們會在這個鏈中實現對於區塊鏈的各類處理方法。

5、往鏈中增長區塊

下面咱們在BlockChains類中寫一個往鏈中增長區塊的方法：

private static string _hash_zero = "Initialize_Hash_By_WangPlus";

public bool addBlockData(object data)
{
    Block new_block = new Block()
    {
        time_stamp = DateTimeOffset.Now,
        data = data,
        nonce = $"{_random.Next(9999):D4}",
    };

    new_block.pre_hash = _block_chains.Count <= 0 ? _hash_zero : _block_chains.Last().Value.hash;
    new_block.hash = calculateHash(new_block);

    _block_chains.Add(_block_chains.Count + 1, new_block);

    return true;
}
private string calculateHash(Block block)
{
    if (block == null)
        return string.Empty;

    string data_json = JsonConvert.SerializeObject(block.data, Formatting.None);
    string block_string = $"{block.time_stamp.Ticks.ToString()}|{block.pre_hash}|{data_json}|{block.nonce}";

    var block_hash = new SHA256Managed().ComputeHash(Encoding.UTF8.GetBytes(block_string));

    return Convert.ToBase64String(block_hash);
}

在這個實現的方法中，

1. 第一個區塊須要特殊處理，由於他的pre_hash不存在，因此咱們給了一個默認的串。
2. 計算hash時，咱們把區塊的time_stamp、pre_hash、data、nonce全都包含在裏面了。

6、驗證區塊

也是一個方法，加在BlockChains中：

public bool isBlockValid(int index)
{
    if (index <= 0 || index > _block_chains.Count)
        return false;

    if ((index > 1 && _block_chains[index].pre_hash != _block_chains[index - 1].hash) || (index == 1 && _block_chains[index].pre_hash != _hash_zero))
        return false;

    if (_block_chains[index].hash != calculateHash(index))
        return false;

    return true;
}
private string calculateHash(int index)
{
    return calculateHash(_block_chains[index]);
}

這個Demo中，沒有實現分佈存儲，因此驗證區塊的部分，咱們只作了簡單驗證：驗證當前區塊和前一個區塊的hash是否匹配。

 

作到這兒，這個簡單的區塊鏈Demo就完成了。

7、總結和思考

上面是一個簡單的區塊鏈應用中，區塊鏈概念的實現。

在實際應用中，咱們須要理解如下內容：

1. 區塊鏈是一個加密技術，它自己跟數據無關；
2. 區塊鏈在造成後，是一個只讀鏈，就是說在一般狀況下，咱們不會從一個鏈中修改或刪除一個區塊。由於這會致使後續全部區塊的修改，這個代價很大；
3. 由於區塊不可更改，因此區塊中存儲的數據也不可更改。若是保存的數據有錯，一般是採用相似記賬的方式，用反衝記錄去消除這個錯誤，而不是修改區塊鏈；
4. 區塊鏈應用中，在安全級別要求比較高的狀況下，應該把開發重點放在分佈存儲上面。

上面Demo的代碼已傳到Github。

代碼地址：https://github.com/humornif/Demo-Code/tree/master/0010/demo

 

（全文完）

 

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