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用 Go 打造区块链（1）基础原型

2017-09-29 Ivan Kuznetsov 学习学习再学习 学习学习再学习

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  • 作者：Ivan Kuznetsov
  • 中文翻译：李笑来
  • 原文链接：https://jeiwan.cc/posts/building-blockchain-in-go-part-1/

第一部分：基础原型

简介

区块链是二十一世纪最具革命性的技术之一，它正在不断成熟，它的诸多潜力正在逐步实现中。本质上来看，区块链只不过是一个分布式的数据库。之所以区块链独特，是因为它并不是一个私有数据库，而是一个公开的数据库，即，每一个使用它的人拥有这个数据库的全部或者至少一部分。任何一个新的数据记录，只能在多数数据库持有者（维护者）的多数同意之后被加入数据库。正因如此，区块链使得加密货币以及智能合约成为可能。

在这个系列文章中，我们将打造一个简化版本的加密货币，它将基于一个简化版本的区块链实现。

区块（Block）

让我们先从区块开始。在区块链里，价值信息存储在区块之中。比如，比特币的区块存储交易记录，而交易记录是任何加密货币的核心。除此之外，区块里还包含有技术信息，比如它的版本号，当前的时间戳，以及上一个区块的哈希（Hash）。

在这篇文章中，我们所实现的并不是像比特币那样完整的区块链，而是一个简化版本的区块链，它只含有最基本的核心信息。差不多是这样：

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

Timestamp 是当前的时间戳（即，区块被创建的时间），Data 是区块中包含的价值信息，PrevBlockHash 存储的是上一个区块的哈希，而Hash 保存的是当前区块的哈希。在比特币的标配中，Timestamp、PrevBlockHash、Hash是区块的头部数据（Block headers），构成一个单独的数据结构；而交易记录（Transactions，在我们这个版本中就是 Data），是另外一个单独的数据结构。而我们在这里为了简化，把数据结构混在了一起。

那我们如何计算哈希呢？计算哈希的方式是区块链的重要特征之一，也正是这个特性使得区块链如此安全。关键在于，计算哈希是一个计算起来很困难的工作，它需要时间，哪怕是在很快的计算机上（这就是为什么人们要买比 CPU 计算能力更强悍 GPU 甚至专门的 ASIC 芯片做矿机的 原因）。这是故意如此设计的，这么做的结果是，往区块链（数据库）里添加新的区块（数据）有一定的困难，以此保证一旦新的数据被加入，往后很难篡改。以后的文章里会进一步讨论并实现这个机制。

现在呢，我们只需要罢区块里的各个字段关联起来，并在此基础上计算出一个 SHA-256 哈希。让我们调用一下 SetHash这个方法：

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[:]
}

接下来，依据 Golang 的常用方式，我们将实现一个函数，以便更简单地创建区块：

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

就这么简单。

区块链（Blockchain）

现在，让我们来实现区块链。本质上来看，区块链只不过是一个特定结构的数据库，它是一个有序的，反向链接的列表（back-linked list）。这就意味着说，区块是按照插入的顺序排列的，每个区块都链接到上一个区块。这样的结构，使得使用者可以很快地在区块链中获得最新的区块，也可以很有效率地通过区块的哈希获得某个区块。

在 Golang 中，这种结构可以用数组（Array）与数图（Map） 实现：数组用来维护有序哈希（在 Go 语言中，数组是有序的）；数图（Map） 用来维护 hash → block 对。不过，在我们的区块链原型中，我们只需要数组就可以了，因为我们暂时不需要通过哈希获取区块。

type Blockchain struct {
    blocks []*Block
}

这就是我们的第一个区块链！我从来没想到竟然会这么简单！

现在，我们要想办法往区块链里添加区块了：

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

这就完事儿了？或者……？

为了添加新的区块，我们需要一个已经存在的区块，可现在我们的区块链里面没有任何区块！于是，在任何区块链中，应该至少有一个区块，这第一个区块，被称为“创始块”（Genesis Block）。来，让我们实现一个方法去创建这个“创始块”：

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

现在我们就可以创建一个函数，用来创建一个已含有“创始块”的区块链了：

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

让我们来看看这区块链是否能用？

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()
    }
}

输出结果是：

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

（竟然）完工！

结论

我们创建了一个极简的区块链原型：它只不过是一个由区块构成的数组，每个区快链接指向上一个区块。当然，真正的区块链远比这个复杂的多。在我们的区块链里，添加一个新区块非常快，非常容易；但是在真正的区块链中添加一个新的区块需要更多的工作：在获得添加区块的允许之前要做很繁重的计算才行（这个过程被称为工“作证明机制”，即，“Proof-of-Work”，POW）。并且，区块链是一个没有主权的分布式的数据库。因此，任何一个新的区块在被加入之前，必须经过网络中其它参与者的确认与允许（这个机制被称为“共识机制”，“Consensus”）…… 还有，我们的区块链里，还没有任何交易记录呢！

未来的文章里，我们将进一步实现这些特性。

链接：

  1. Full source codes: https://github.com/Jeiwan/blockchain_go/tree/part_1
  2. Block hashing algorithm: https://en.bitcoin.it/wiki/Block_hashing_algorithm

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