【區塊鏈Go語言實現】第一部分: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,且其發展潛力尚未被完全意識到。從本質上講,區塊鏈只是一種記錄的分布式數據庫。但它之所以獨特,是因為它並不是一個私有的數據庫,而是一個公共數據庫,也就是說,每個使用它的人都有一份完整或部分的數據副本。並且,只有在數據庫的其他持有者同意的情況下,才可以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為可能。
在本系列文章中,我們將基於區塊鏈構建一種簡單的加密貨幣。
0x01 區塊
首先,我們從“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。除此之外,區塊還包含一些技術信息,比如它的版本、當前時間戳和前一區塊的散列值(哈希值)。
在本文中,我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,即我們將要實現的區塊結構中只包含重要的信息。下面代碼中為我們的區塊結構:
type Block struct { Timestamp int64 Data []byte PrevBlockHash []byte Hash []byte }
Timestamp(時間戳)是區塊創建時刻的時間戳,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(在我們的例子中是Data)也是一個單獨的數據結構。為了簡單起見,我們此處將它們混合在一起。
那麽如何計算散列值呢?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作,即使在快速計算機上也需要一些時間(這就是人們會購買強大的GPU來挖比特幣的原因)。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,因此可以防止對已有區塊的篡改。我們將在以後的文章中討論並實現這種機制。
現在,我們僅僅使用區塊字段,連接它們,並在連接的組合上計算一個SHA-256散列值。下面,我們使用SetHash方法來實現這一操作:
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,依照Golang慣例,我們將實現一個函數來簡化區塊的創建:
func NewBlock(data string, prevBlockHash []byte) *Block { block := &Block{time.Now().Unix(), []byte(data), prevBlockHash, []byte{}} block.SetHash() return block }
這樣,我們就準備好了區塊的工作!
0x02 區塊鏈
現在,我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鏈接列表。這意味著區塊以插入順序進行存儲,並每個區塊會鏈接到前一區塊。這個結構能夠保證快速獲得一個區塊鏈中最新的區塊,並能夠通過區塊散列值高效地獲取到該區塊。
在Golang中,可以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,對於我們的區塊鏈原型來說,我們僅僅使用一個數組,因為現在我們不需要通過區塊的散列來獲得對應的區塊。
type Blockchain struct { blocks []*Block }
這是我們的第一個區塊鏈,我從未想過它會這麽容易。
現在我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) }
這樣就完了麽?No!
為了向區塊鏈中添加一個新區塊,我們需要確保已經存在了一個區塊,但是目前我們的區塊鏈中並未存在任何區塊。所以,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為創世區塊。下面,我們實現一個方法來創建創世區塊:
func NewGenesisBlock() *Block { return NewBlock("Genesis Block", []byte{}) }
現在,我們可以實現一個函數來使用創世區塊創建一個區塊鏈:
func NewBlockchain() *Blockchain { return &Blockchain{[]*Block{NewGenesisBlock()}} }
下面,我們來檢查一下我們的區塊鏈是否能夠正常工作:
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() } }
輸出結果如下:
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
通過上面的結果,我們可以確定該區塊鏈可以正常工作。
0x03 結論
本文中,我們創建了一個非常簡單的區塊鏈原型:它僅僅是一個區塊數組,其中每個區塊都有一個鏈接到前一區塊,不過實際的區塊鏈要比這復雜得多。在我們的區塊鏈中,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需要做一些工作:在獲取添加區塊的權限之前,區塊添加者(或者說節點)必須執行一些繁重的計算(這種機制稱為工作證明,Proof-of-Work,POW)。此外,區塊鏈是一種分布式數據庫,所以並沒有一個唯一的決策者。因此,一個新的區塊必須由網絡中的其他參與者確認和批準(這種機制稱為共識機制)。最後,目前我們的區塊鏈中還沒有交易!
在後續的文章中我們將逐步討論這些功能和特點。
英文鏈接:https://jeiwan.cc/posts/building-blockchain-in-go-part-1/
【區塊鏈Go語言實現】第一部分:區塊鏈基本原型