【譯】用JavaScript寫一個區塊鏈

時間  2021-08-14
標籤 git github 數據庫 數組 bash markdown 網絡 函數 oop 性能 欄目 JavaScript 简体版
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原文：Writing a tiny blockchain in JavaScriptgit

做者：Savjee.begithub

譯者：JeLewine數據庫

幾乎每一個人都據說過像比特幣和以太幣這樣的加密貨幣，可是隻有極少數人懂得隱藏在它們背後的技術。在這篇博客中，我將會用JavaScript來建立一個簡單的區塊鏈來演示它們的內部到底是如何工做的。我將會稱之爲SavjeeCoin！數組

全文分爲三個部分：bash

  1. part1：實現一個基本的區塊鏈
  2. part2：實現POW
  3. part3：交易與挖礦獎勵

Part1:實現一個基本的區塊鏈

區塊鏈

區塊鏈是由一個個任何人均可以訪問的區塊構成的公共數據庫。這好像沒什麼特別的，不過它們有一個有趣的屬性：它們是不可變的。一旦一個區塊被添加到區塊鏈中，除非讓剩餘的其他區塊失效，不然它是不會再被改變的。markdown

這就是爲何加密貨幣是基於區塊鏈的緣由。你確定不但願人們在交易完成後再變動交易！網絡

創造一個區塊

區塊鏈是由許許多多的區塊連接在一塊兒的（這聽上去好像沒毛病..）。鏈上的區塊經過某種方式容許咱們檢測到是否有人操縱了以前的任何區塊。函數

那麼咱們如何確保數據的完整性呢？每一個區塊都包含一個基於其內容計算出來的hash。同時也包含了前一個區塊的hash。oop

下面是一個區塊類用JavaScript寫出來大體的樣子：性能

const SHA256 = require("crypto-js/sha256");
class Block {
  constructor(index, timestamp, data, previousHash = '') {
    this.index = index;
    this.previousHash = previousHash;
    this.timestamp = timestamp;
    this.data = data;
    this.hash = this.calculateHash();
  }

  calculateHash() {
    return SHA256(this.index + this.previousHash + this.timestamp + JSON.stringify(this.data)).toString();
  }
}
複製代碼

由於JavaScript中並不支持sha256因此我引入了crypto-js庫。而後我定義了一個構造函數來初始化我區塊的屬性。每個區塊上都被賦予了index屬性來告知咱們這個區塊在整個鏈上的位置。咱們同時也生成了一個時間戳，以及須要在區塊裏存儲的一些數據。最後是前一個區塊的hash。

創造一個鏈

如今咱們能夠在Blockchain類中將區塊連接起來了！下面是用JavaScript實現的代碼：

class Blockchain{
  constructor() {
    this.chain = [this.createGenesisBlock()];
  }

  createGenesisBlock() {
    return new Block(0, "01/01/2017", "Genesis block", "0");
  }

  getLatestBlock() {
    return this.chain[this.chain.length - 1];
  }

  addBlock(newBlock) {
    newBlock.previousHash = this.getLatestBlock().hash;
    newBlock.hash = newBlock.calculateHash();
    this.chain.push(newBlock);
  }

  isChainValid() {
    for (let i = 1; i < this.chain.length; i++){
      const currentBlock = this.chain[i];
      const previousBlock = this.chain[i - 1];

      if (currentBlock.hash !== currentBlock.calculateHash()) {
        return false;
      }

      if (currentBlock.previousHash !== previousBlock.hash) {
        return false;
      }
    }
    return true;
  }
}
複製代碼

在構造函數裏，我經過建立一個包含創世塊的數組來初始化整個鏈。第一個區塊是特殊的，由於它不能指向前一個區塊。我還添加了下面兩個方法：

  • getLatestBlock()返回咱們區塊鏈上最新的區塊。
  • addBlock()負責將新的區塊添加到咱們的鏈上。爲此，咱們將前一個區塊的hash添加到咱們新的區塊中。這樣咱們就能夠保持整個鏈的完整性。由於只要咱們變動了最新區塊的內容，咱們就須要從新計算它的hash。當計算完成後，我將把這個區塊推動鏈裏（一個數組）。

最後，我建立一個isChainValid()來確保沒有人篡改過區塊鏈。它會遍歷全部的區塊來檢查每一個區塊的hash是否正確。它會經過比較previousHash來檢查每一個區塊是否指向正確的上一個區塊。若是一切都沒有問題它會返回true不然會返回false。

使用區塊鏈

咱們的區塊鏈類已經寫完啦，能夠真正的開始使用它了！

let savjeeCoin = new Blockchain();
savjeeCoin.addBlock(new Block(1, "20/07/2017", { amount: 4 }));
savjeeCoin.addBlock(new Block(2, "20/07/2017", { amount: 8 }));
複製代碼

在這裏我僅僅是建立了一個區塊鏈的實例，而且命名它爲SavjeeCoin！以後我在鏈上添加了一些區塊。區塊裏能夠包含任何你想要放的數據，不過在上面的代碼裏，我選擇添加了一個帶有amount屬性的對象。

試着操做吧！

在介紹裏我曾說過區塊鏈是不可變的。一旦添加，區塊就不可能再變動了。讓咱們試一下！

// 檢查是否有效(將會返回true)
console.log('Blockchain valid? ' + savjeeCoin.isChainValid());

// 如今嘗試操做變動數據
savjeeCoin.chain[1].data = { amount: 100 };

// 再次檢查是否有效 (將會返回false)
console.log("Blockchain valid? " + savjeeCoin.isChainValid());
複製代碼

我會在一開始經過運行isChainValid()來驗證整個鏈的完整性。咱們操做過任何區塊，因此它會返回true。

以後我將鏈上的第一個（索引爲1）區塊的數據進行了變動。以後我再次檢查整個鏈的完整性，發現它返回了false。咱們的整個鏈再也不有效了。

結論

這個小栗子還遠未達到完成的程度。它尚未實現POW（工做量證實機制）或P2P網絡來與其它礦工來進行交流。

但他確實證實了區塊鏈的工做原理。許多人認爲原理會很是複雜，但這篇文章證實了區塊鏈的基本概念是很是容易理解和實現的。

Part2:實現POW(proof-of-work:工做量證實)

在part1中咱們用JavaScript建立了一個簡單的區塊鏈來演示區塊鏈的工做原理。不過這個實現並不完整，不少人發現依舊能夠篡改該系統。沒錯！咱們的區塊鏈須要另外一種機制來抵禦攻擊。那麼讓咱們來看看咱們該如何作到這一點！

問題

如今咱們能夠很快的創造區塊而後很是迅速的將它們添加進咱們的區塊鏈中。不過這致使了三個問題：

  • 第一：人們能夠快速建立區塊而後在咱們的鏈裏塞滿垃圾。大量的區塊會致使咱們區塊鏈過載並讓其沒法使用。
  • 第二：由於建立一個有效的區塊太容易了，人們能夠篡改鏈中的某一個區塊，而後從新計算全部區塊的hash。即便它們已經篡改了區塊，他們仍然能夠以有效的區塊來做爲結束。
  • 第三：你能夠經過結合上述兩個破綻來有效控制區塊鏈。區塊鏈由p2p網絡驅動，其中節點會將區塊添加到可用的最長鏈中。因此你能夠篡改區塊，而後計算全部其餘的區塊，最後添加多任意你想要添加的區塊。你最後會獲得一個最長的鏈，全部的其它節點都會接受它而後往上添加本身的區塊。

顯然咱們須要一個方案來解決這些問題：POW。

什麼是POW

POW是在第一個區塊鏈被創造以前就已經存在的一種機制。這是一項簡單的技術，經過必定數量的計算來防止濫用。工做量是防止垃圾填充和篡改的關鍵。若是它須要大量的算力，那麼填充垃圾就再也不值得。

比特幣經過要求hash以特定0的數目來實現POW。這也被稱之爲難度

不過等一下！一個區塊的hash怎麼能夠改變呢？在比特幣的場景下，一個區塊包含有各類金融交易信息。咱們確定不但願爲了獲取正確的hash而混淆了那些數據。

爲了解決這個問題，區塊鏈添加了一個nonce值。Nonce是用來查找一個有效Hash的次數。並且，由於沒法預測hash函數的輸出，所以在得到知足難度條件的hash以前，只能大量組合嘗試。尋找到一個有效的hash（建立一個新的區塊）在圈內稱之爲挖礦。

在比特幣的場景下，POW確保每10分鐘只能添加一個區塊。你能夠想象垃圾填充者須要多大的算力來創造一個新區塊，他們很難欺騙網絡，更不要說篡改整個鏈。

實現POW

咱們該如何實現呢？咱們先來修改咱們區塊類並在其構造函數中添加Nonce變量。我會初始化它並將其值設置爲0。

constructor(index, timestamp, data, previousHash = '') {
  this.index = index;
  this.previousHash = previousHash;
  this.timestamp = timestamp;
  this.data = data;
  this.hash = this.calculateHash();
  this.nonce = 0;
}
複製代碼

咱們還須要一個新的方法來增長Nonce，直到咱們得到一個有效hash。強調一下，這是由難度決定的。因此咱們會收到做爲參數的難度。

mineBlock(difficulty) {
    while (this.hash.substring(0, difficulty) !== Array(difficulty + 1).join("0")) {
        this.nonce++;
        this.hash = this.calculateHash();
    }
    console.log("BLOCK MINED: " + this.hash);
}
複製代碼

最後，咱們還須要更改一下calculateHash()函數。由於目前他尚未使用Nonce來計算hash。

calculateHash() {
  return SHA256(this.index +
    this.previousHash +
    this.timestamp +
    JSON.stringify(this.data) +
    this.nonce
  ).toString();
}
複製代碼

將它們結合在一塊兒，你會獲得以下所示的區塊類：

class Block {
  constructor(index, timestamp, data, previousHash = '') {
    this.index = index;
    this.previousHash = previousHash;
    this.timestamp = timestamp;
    this.data = data;
    this.hash = this.calculateHash();
    this.nonce = 0;
  }

  calculateHash() {
    return SHA256(this.index + this.previousHash + this.timestamp + JSON.stringify(this.data) + this.nonce).toString();
  }

  mineBlock(difficulty) {
    while (this.hash.substring(0, difficulty) !== Array(difficulty + 1).join("0")) {
      this.nonce++;
      this.hash = this.calculateHash();
    }
    console.log("BLOCK MINED: " + this.hash);
  }
}
複製代碼

修改區塊鏈

如今，咱們的區塊已經擁有Nonce而且能夠被開採了，咱們還須要確保咱們的區塊鏈支持這種新的行爲。讓咱們先在區塊鏈中添加一個新的屬性來跟蹤整條鏈的難度。我會將它設置爲2（這意味着區塊的hash必須以2個0開頭）。

constructor() {
  this.chain = [this.createGenesisBlock()];
  this.difficulty = 2;
}
複製代碼

如今剩下要作的就是改變addBlock()方法，以便在將其添加到鏈中以前確保實際挖到該區塊。下面咱們將難度傳給區塊。

addBlock(newBlock) {
  newBlock.previousHash = this.getLatestBlock().hash;
  newBlock.mineBlock(this.difficulty);
  this.chain.push(newBlock);
}
複製代碼

大功告成！咱們的區塊鏈如今擁有了POW來抵禦攻擊了。

測試

如今讓咱們來測試一下咱們的區塊鏈，看看在POW下添加一個新區塊會有什麼效果。我將會使用以前的代碼。咱們將建立一個新的區塊鏈實例而後往裏添加2個區塊。

let savjeeCoin = new Blockchain();

console.log('Mining block 1');
savjeeCoin.addBlock(new Block(1, "20/07/2017", { amount: 4 }));

console.log('Mining block 2');
savjeeCoin.addBlock(new Block(2, "20/07/2017", { amount: 8 }));
複製代碼

若是你運行了上面的代碼，你會發現添加新區塊依舊很是快。這是由於目前的難度只有2（或者你的電腦性能很是好）。

若是你建立了一個難度爲5的區塊鏈實例，你會發現你的電腦會花費大概十秒鐘來挖礦。隨着難度的提高，你的防護攻擊的保護程度越高。

免責聲明

就像以前說的：這毫不是一個完整的區塊鏈。它仍然缺乏不少功能（像P2P網路）。這只是爲了說明區塊鏈的工做原理。

而且：因爲單線程的緣由，用JavaScript來挖礦並不快。

Part3 交易與挖礦獎勵

在前面兩部分咱們建立了一個簡單的區塊鏈，而且加入了POW來抵禦攻擊。然而咱們在途中也偷了懶：咱們的區塊鏈只能在一個區塊中存儲一筆交易，並且礦工沒有獎勵。如今，讓咱們解決這個問題！

重構區塊類

如今一個區塊擁有index,previousHash,timestamp,data,hash和nonce屬性。這個index屬性並非頗有用，事實上我甚至不知道爲何開始我要將它添加進去。因此我把它移除了，同時將data更名爲transactions來更語義化。

class Block{
  constructor(timestamp, transactions, previousHash = '') {
    this.previousHash = previousHash;
    this.timestamp = timestamp;
    this.transactions = transactions;
    this.hash = this.calculateHash();
    this.nonce = 0;
  }
}
複製代碼

當咱們改變區塊類時，咱們也必須更改calculateHash()函數。如今它還在使用老舊的index和data屬性。

calculateHash() {
  return SHA256(this.previousHash + this.timestamp + JSON.stringify(this.transactions) + this.nonce).toString();
}
複製代碼

交易類

在區塊內，咱們將能夠存儲多筆交易。所以咱們還須要定義一個交易類，一邊咱們能夠鎖定交易應當具備的屬性：

class Transaction{
  constructor(fromAddress, toAddress, amount){
    this.fromAddress = fromAddress;
    this.toAddress = toAddress;
    this.amount = amount;
  }
}
複製代碼

這個交易例子很是的簡單，僅僅包含了發起方（fromAddress）和接受方（toAddress）以及數量。若是有需求，你也能夠在裏面加入更多字段，不過這個只是爲了最小實現。

調整咱們的區塊鏈

當前的最大任務：調整咱們的區塊鏈來適應這些新變化。咱們須要作的第一件事就是存儲待處理交易的地方。

正如你所知道的，因爲POW，區塊鏈能夠穩定的建立區塊。在比特幣的場景下，難度被設置成大約每10分鐘建立一個新區塊。可是，是能夠在創造兩個區塊之間提交新的交易。

爲了作到這一點，首先須要改變咱們區塊鏈的構造函數，以便他能夠存儲待處理的交易。咱們還將創造一個新的屬性，用於定義礦工得到多少錢做爲獎勵：

class Blockchain{
  constructor() {
    this.chain = [this.createGenesisBlock()];
    this.difficulty = 5;

    // 在區塊產生之間存儲交易的地方
    this.pendingTransactions = [];

    // 挖礦回報
    this.miningReward = 100;
  }
}
複製代碼

下一步，咱們將調整咱們的addBlock()方法。不過個人調整是指刪掉並重寫它！咱們將再也不容許人們直接爲鏈上添加區塊。相反，他們必須將交易添加至下一個區塊中。並且咱們將addBlock()改名爲createTransaction()，這看起來更語義化：

createTransaction(transaction) {
  // 這裏應該有一些校驗!

  // 推入待處理交易數組
  this.pendingTransactions.push(transaction);
}
複製代碼

挖礦

人們如今能夠將新的交易添加到待處理交易的列表中。但不管如何，咱們須要將他們清理掉並移入實際的區塊中。爲此，咱們來建立一個minePendingTransactions()方法。這個方法不只會挖掘全部待交易的新區塊，並且還會向採礦者發送獎勵。

minePendingTransactions(miningRewardAddress) {
  // 用全部待交易來建立新的區塊而且開挖..
  let block = new Block(Date.now(), this.pendingTransactions);
  block.mineBlock(this.difficulty);

  // 將新挖的看礦加入到鏈上
  this.chain.push(block);

  // 重置待處理交易列表而且發送獎勵
  this.pendingTransactions = [
      new Transaction(null, miningRewardAddress, this.miningReward)
  ];
}
複製代碼

請注意，該方法採用了參數miningRewardAddress。若是你開始挖礦，你能夠將你的錢包地址傳遞給此方法。一旦成功挖到礦，系統將建立一個新的交易來給你挖礦獎勵（在這個栗子裏是100枚幣）。

有一點須要注意的是，在這個栗子中，咱們將全部待處理交易一併添加到一個區塊中。但實際上，因爲區塊的大小是有限制的，因此這是行不通的。在比特幣裏，一個區塊的大小大概是2Mb。若是有更多的交易可以擠進一個區塊，那麼礦工能夠選擇哪些交易達成哪些交易不達成（一般狀況下費用更高的交易容易獲勝）。

地址的餘額

在測試咱們的代碼錢讓咱們再作一件事！若是可以檢查咱們區塊鏈上地址的餘額將會更好。

getBalanceOfAddress(address){
  let balance = 0; // you start at zero!

  // 遍歷每一個區塊以及每一個區塊內的交易
  for(const block of this.chain){
    for(const trans of block.transactions){

      // 若是地址是發起方 -> 減小余額
      if(trans.fromAddress === address){
        balance -= trans.amount;
      }

      // 若是地址是接收方 -> 增長餘額
      if(trans.toAddress === address){
        balance += trans.amount;
      }
    }
  }

  return balance;
}
複製代碼

測試

好吧，咱們已經完成並能夠最終一切是否能夠正常工做！爲此，咱們建立了一些交易：

let savjeeCoin = new Blockchain();

console.log('Creating some transactions...');
savjeeCoin.createTransaction(new Transaction('address1', 'address2', 100));
savjeeCoin.createTransaction(new Transaction('address2', 'address1', 50));
複製代碼

這些交易目前都處於等待狀態，爲了讓他們獲得證明，咱們必須開始挖礦：

console.log('Starting the miner...');
savjeeCoin.minePendingTransactions('xaviers-address');
複製代碼

當咱們開始挖礦，咱們也會傳遞一個咱們想要得到挖礦獎勵的地址。在這種狀況下，個人地址是xaviers-address（很是複雜！）。

以後，讓咱們檢查一下xaviers-address的帳戶餘額：

console.log('Balance of Xaviers address is', savjeeCoin.getBalanceOfAddress('xaviers-address'));
// 輸出: 0
複製代碼

個人帳戶輸出居然是0？！等等，爲何？難道我不該該獲得個人挖礦獎勵麼？那麼，若是你仔細觀察代碼，你會看到系統會建立一個交易，而後將您的挖礦獎勵添加爲新的待處理交易。這筆交易將會包含在下一個區塊中。因此若是咱們再次開始挖礦，咱們將收到咱們的100枚硬幣獎勵！

console.log('Starting the miner again!');
savjeeCoin.minePendingTransactions("xaviers-address");

console.log('Balance of Xaviers address is', savjeeCoin.getBalanceOfAddress('xaviers-address'));
// 輸出: 100
複製代碼

侷限性與結論

如今咱們的區塊鏈已經能夠在一個區塊上存儲多筆交易，而且能夠爲礦工帶來回報。

不過，仍是有一些不足：發送貨幣是，咱們不檢查發起人是否有足夠的餘額來實際進行交易。然而，這實際上是一件容易解決的事情。咱們也沒有建立一個新的錢包和簽名交易（傳統上用公鑰/私鑰加密完成）。

免責聲明 & 源代碼

我想指出的是，這毫不是一個完整的區塊鏈實現！它仍然缺乏不少功能。這只是爲了驗證一些概念來幫助您來了解區塊鏈的工做原理。

該項目的源代碼就放在個人GitHub

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