基本原型

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)。 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，并基于它來構(gòu)建一個簡化版的加密貨幣。

區(qū)塊
首先從 “區(qū)塊” 談起。在區(qū)塊鏈中，真正存儲有效信息的是區(qū)塊（block）。而在比特幣中，真正有價值的信息就是交易（transaction）。實際上，交易信息是所有加密貨幣的價值所在。除此以外，區(qū)塊還包含了一些技術(shù)實現(xiàn)的相關(guān)信息，比如版本，當前時間戳和前一個區(qū)塊的哈希。

不過，我們要實現(xiàn)的是一個簡化版的區(qū)塊鏈，而不是一個像比特幣技術(shù)規(guī)范所描述那樣成熟完備的區(qū)塊鏈。所以在我們目前的實現(xiàn)中，區(qū)塊僅包含了部分關(guān)鍵信息，它的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：

type Block struct {Timestamp int64Data []bytePrevBlockHash []byteHash []byte }

字段解釋
Timestamp： 當前時間戳，也就是區(qū)塊創(chuàng)建的時間
PrevBlockHash： 前一個塊的哈希，即父哈希
Hash ：當前塊的哈希
Data ：區(qū)塊存儲的實際有效信息，也就是交易
我們這里的 Timestamp，PrevBlockHash, Hash，在比特幣技術(shù)規(guī)范中屬于區(qū)塊頭（block header），區(qū)塊頭是一個單獨的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

下面是比特幣的 golang 實現(xiàn) btcd 的 BlockHeader 定義:

// BlockHeader defines information about a block and is used in the bitcoin // block (MsgBlock) and headers (MsgHeaders) messages. type BlockHeader struct {// Version of the block. This is not the same as the protocol version.Version int32// Hash of the previous block in the block chain.PrevBlock chainhash.Hash// Merkle tree reference to hash of all transactions for the block.MerkleRoot chainhash.Hash// Time the block was created. This is, unfortunately, encoded as a// uint32 on the wire and therefore is limited to 2106.Timestamp time.Time// Difficulty target for the block.Bits uint32// Nonce used to generate the block.Nonce uint32 }

而我們的 Data, 在比特幣中對應(yīng)的是交易，是另一個單獨的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。為了簡便起見，目前將這兩個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)放在了一起。

在我們的簡化版區(qū)塊中，還有一個 Hash 字段，那么，要如何計算哈希呢？哈希計算，是區(qū)塊鏈一個非常重要的部分。正是由于它，才保證了區(qū)塊鏈的安全。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，也要耗費很多時間 (這就是為什么人們會購買 GPU，FPGA，ASIC 來挖比特幣) 。這是一個架構(gòu)上有意為之的設(shè)計，它故意使得加入新的區(qū)塊十分困難，繼而保證區(qū)塊一旦被加入以后，就很難再進行修改。在接下來的內(nèi)容中，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)的部分字段（Timestamp, Data 和 PrevBlockHash），并將它們相互拼接起來，然后在拼接后的結(jié)果上計算一個 SHA-256，然后就得到了哈希.

Hash = SHA256(PrevBlockHash + Timestamp + Data)
在 SetHash 方法中完成這些操作：

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)建區(qū)塊的函數(shù) NewBlock：

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

區(qū)塊鏈
有了區(qū)塊，下面讓我們來實現(xiàn)區(qū)塊鏈。本質(zhì)上，區(qū)塊鏈就是一個有著特定結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)庫，是一個有序，每一個塊都連接到前一個塊的鏈表。也就是說，區(qū)塊按照插入的順序進行存儲，每個塊都與前一個塊相連。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 hash -> 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！是不是出乎意料地簡單? 就是一個 Block 數(shù)組。

現(xiàn)在，讓我們能夠給它添加一個區(qū)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) }

結(jié)束！不過，就這樣就完成了嗎？

為了加入一個新的塊，我們必須要有一個已有的塊，但是，初始狀態(tài)下，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。這個塊，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()}} }

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

輸出：

Prev. hash: Data: Genesis Block Hash: aff955a50dc6cd2abfe81b8849eab15f99ed1dc333d38487024223b5fe0f1168Prev. hash: aff955a50dc6cd2abfe81b8849eab15f99ed1dc333d38487024223b5fe0f1168 Data: Send 1 BTC to Ivan Hash: d75ce22a840abb9b4e8fc3b60767c4ba3f46a0432d3ea15b71aef9fde6a314e1Prev. 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)塊鏈要比這復雜得多。在我們的區(qū)塊鏈中，加入新的塊非常簡單，也很快，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)塊鏈是一個分布式數(shù)據(jù)庫，并且沒有單一決策者。因此，要加入一個新塊，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！

進入 src 目錄查看代碼，執(zhí)行 make 即可運行：

$ cd src $ make ==> Go build ==> Running Prev. hash: Data: Genesis Block Hash: 4693b71eee96760de4b0f051083376dcbed2f0711a44294ee5fd42fbeacc9579Prev. hash: 4693b71eee96760de4b0f051083376dcbed2f0711a44294ee5fd42fbeacc9579 Data: Send 1 BTC to Ivan Hash: 839380a2d0af1dc4686f16ade5423fecdc5f287db9322d9e18adcb4071e7c8ffPrev. hash: 839380a2d0af1dc4686f16ade5423fecdc5f287db9322d9e18adcb4071e7c8ff Data: Send 2 more BTC to Ivan Hash: b38052a029bd2b1b9d4bb478af45b4c88605e99bc64e49031ba06d21ad4b0b38 《新程序員》：云原生和全面數(shù)字化實踐50位技術(shù)專家共同創(chuàng)作，文字、視頻、音頻交互閱讀

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的用Go语言建立一个简单的区块链part1:基本原型的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

如果覺得生活随笔網(wǎng)站內(nèi)容還不錯，歡迎將生活随笔推薦給好友。