寫一個最簡單的區塊鏈——Yet another Go tutorial

Go語言區塊鏈開發 · 發表 2018-10-06 00:41:50

摘要：前言為什麼說是最簡單的區塊鏈呢，因為根本寫不出一個完整的區塊鏈，甚至連區塊鏈的Demo都算不上。本文充其量可以當做Go語言的一個入門教程，至少對我來說是這樣。所以，即使讀者沒有任何區塊鏈和Go語言的知識，也可以放心往下看。本文使用Go語言實現了區塊的定義和構建 ...

前言

為什麼說是最簡單的區塊鏈呢，因為根本寫不出一個完整的區塊鏈，甚至連區塊鏈的Demo都算不上。本文充其量可以當做Go語言的一個入門教程，至少對我來說是這樣。所以，即使讀者沒有任何區塊鏈和Go語言的知識，也可以放心往下看。

本文使用Go語言實現了

區塊的定義和構建
區塊鏈的定義和構建
新增交易
檢視區塊鏈內容
提供Go API和Web API兩種方式

區塊鏈的概念

區塊鏈源自比特幣，當年中本聰計劃打造一個完全去中心化的電子貨幣交易系統，區塊鏈應運而生。發明區塊鏈的動機，大概是中本聰覺得，任何中心化的系統都不夠安全，一旦把特權賦予某些人，就存在濫用職權和腐敗的可能。只有在去中心化的系統中，才會存在絕對的安全。

去中心化其實很簡單，直接讓每一個節點都儲存完整的交易資訊，自然就不需要中心節點了。但這樣會造成資源的極大浪費，也會造成通訊的擁堵。不過比特幣似乎就是這樣乾的，畢竟比特幣的總量不算很多，交易量也不至於太大。

去中心化的另一個問題是需要共識機制。因為區塊鏈是一個單向連結串列，如果兩個節點同時想要向連結串列頭部新增元素，勢必造成連結串列的分叉。共識機制規定了整個網路中最長的那個鏈為有效鏈，任何節點一旦發現其它鏈比本地儲存的鏈更長，就必須更換為那個最長的鏈。

此外，節點是不能隨意向區塊鏈中新增元素的，否則誰新增的最快，誰的區塊鏈就最長，那豈不是成了速度競賽。制約的方法是，一個節點產生的交易，必須由另一個節點記賬，才能加入區塊鏈中。為了鼓勵人們積極為其他人記賬，中本聰設計了“工作量證明”這一環節，也就是我們俗稱的“挖礦”。成功為他人記賬的節點，會收到若干個比特幣的獎勵。這樣一來，人們蜂擁而至，爭先為別人記賬，但交易數量有限，多個人同時記賬只會有一個人記賬成功，其他人無功而返。為了使這一過程不受網速的影響，使大家能夠公平競爭，中本聰規定，記賬者必須得到若干個0開頭的賬單摘要才算記賬成功。所謂賬單摘要，就是把賬單資料按照規定的組合方式，加上隨機數，再經過某種雜湊演算法（比如SHA256）得到的固定長度的資料串。目前的規定是以18個0開頭，每個0是一個16進位制數字，也就相當於平均每嘗試16 ¹⁸ 次才可能得到一個符合條件的賬單摘要。這也是為什麼挖礦需要消耗大量的計算資源，而且挖礦會越來越難（數字0開頭的數量還會進一步增多）。

說了這麼多理論，也該開始實踐了。但說著容易做著難，我們沒法把上面提到的所有特性都實現出來，只能實現最基礎的功能。即使如此，對幫助大家直觀地瞭解區塊鏈也已經足夠了。

Go語言實現區塊鏈

如果手邊有一臺電腦，建議按照本節的流程親自敲一遍程式碼。

0.配置開發環境

本來想把如何配置開發環境寫一寫，但實在太繁瑣，又難以滿足不同系統使用者的需求，遂作罷。大家只能發揮自己的聰明才智搞一搞了。

1. 定義區塊

// file: Block.go
package core

import (
"crypto/sha256"
"encoding/hex"
"time"
)

type Block struct {

// Block header
Index int64
Timestamp int64
PrevBlockHash string
Hash string

// Block data
Data string
}

func createBlock(prevBlock Block, data string) Block{
newBlock := Block{}
newBlock.Index = prevBlock.Index + 1
newBlock.Timestamp = time.Now().Unix()
newBlock.PrevBlockHash = prevBlock.Hash
newBlock.Data = data
newBlock.Hash = calculateHash(newBlock)
return newBlock
}

func calculateHash(block Block) string {
toBeHashed := string(block.Index) + string(block.Timestamp) + block.PrevBlockHash + block.Data
hashInBytes := sha256.Sum256([]byte(toBeHashed))
return hex.EncodeToString(hashInBytes[:])
}

這段程式碼定義了一個結構體 Block ，用來表示一個區塊。區塊包含區塊頭和資料兩部分，其中，區塊頭包括序號 Index 、時間戳 Timestamp 、上一區塊的摘要 PrevBlockHash 以及當前區塊的摘要 Hash 。資料為了簡單起見，直接用 string 型別表示。

下面兩個私有函式分別用來建立區塊和計算給定區塊的摘要。之所以稱為私有函式，是因為函式名以小寫字母開頭，Go編譯器自動按照函式名首字母的大小寫決定該函式的訪問級別。在 calculateHash 函式中，我們把序號、時間戳、上一區塊的摘要以及資料連線成一個長字串，並計算該字串的雜湊值，作為當前區塊的摘要。需要注意，Go語言中宣告變數可以不顯式指定型別，但需要用 := 符號來初始化。

2. 定義區塊鏈

// file: BlockChain.go
package core

import "fmt"

type BlockChain struct {
Blocks []*Block
}

func CreateBlockChain() BlockChain {
genesisBlock := createBlock(Block{Index:-1}, "I am genesis block.")
blockChain := BlockChain{}
blockChain.Blocks = append(blockChain.Blocks, &genesisBlock)
return blockChain
}

func (blockChain *BlockChain) AddTransaction(data string){
block := createBlock(*blockChain.Blocks[len(blockChain.Blocks) - 1], data)
blockChain.Blocks = append(blockChain.Blocks, █)
}

func (blockChain *BlockChain) Print(){
for _, block := range blockChain.Blocks {
fmt.Printf("Index: %d\n", block.Index)
fmt.Printf("Timestamp: %d\n", block.Timestamp)
fmt.Printf("PreBlockHash: %s\n", block.PrevBlockHash)
fmt.Printf("Hash: %s\n", block.Hash)
fmt.Printf("Data: %s\n", block.Data)
fmt.Println()
}
}

這裡，我們把區塊鏈定義為另一個結構體，內部包含區塊的陣列切片。Go語言中的陣列切片，其實就是變長陣列，它的容量依賴於實際陣列的長度。

我們提供了三個公有函式。 CreateBlockChain 用來建立一個新的區塊鏈，在該函式中自動建立了一個區塊，稱為“創世區塊”，該區塊不含任何資料，Index為0，只用於標識區塊鏈的起點。 AddTransaction 函式用來新增交易，內部會建立一個新的區塊，並連結到區塊鏈上。 Print 函式用來列印完整的區塊鏈資訊。

細心的話可以發現，這裡的函式名前面增加了一些內容。在Go語言中，這種函式稱為方法，方法名前面的部分是接收者，類似於C++中的this指標。 AddTransaction 和 Print 方法都聲明瞭 BlockChain 型別的接收者，於是這兩個方法可以當做 BlockChain 型別的成員函式來使用。

3. Go API Demo

以上已經實現了區塊鏈的核心功能。我們現在寫一個demo來測試一下效果。

// file: main.go
package main

import (
"BlockChainDemo/core"
)

func main(){
blockChain := core.CreateBlockChain()
blockChain.AddTransaction("Send 1 BTC to Faye.")
blockChain.AddTransaction("Send 2 BTC to Liling.")
blockChain.Print()
}

Go語言的主函式必須位於 main 包中，否則不能執行。執行該程式，輸出結果為

Index: 0
Timestamp: 1538731505
PreBlockHash: 
Hash: f8970ec722193096998452516c709c1890323e5df5bd7cf1e139b9c592394f6d
Data: I am genesis block.

Index: 1
Timestamp: 1538731505
PreBlockHash: f8970ec722193096998452516c709c1890323e5df5bd7cf1e139b9c592394f6d
Hash: 12f8ca6f66b0b21e6d1ed7682265f849f46e4a4ff10e6ba794021eb25d0ab033
Data: Send 1 BTC to Faye.

Index: 2
Timestamp: 1538731505
PreBlockHash: 12f8ca6f66b0b21e6d1ed7682265f849f46e4a4ff10e6ba794021eb25d0ab033
Hash: 1c849f10a0da4f2aa45275f1585ddc700fa46c24cb8162484bf628a16aeac5a0
Data: Send 2 BTC to Liling.

可以看到，新增兩次交易後，區塊鏈的長度變為3，除了創世節點，後面每個節點表示一次交易。每個區塊的 Hash 值與當前區塊和上一區塊都有關，因此任何人都無法篡改歷史資料，任何微小的改動都會導致後面鏈條中所有資料的變化。

4. Web API Demo

最後一部分，發揮Go語言強大的Web程式設計能力，我們提供一個Web API供HTTP訪問使用。

// file: server.go
package main

import (
"BlockChainDemo/core"
"encoding/json"
"io"
"net/http"
)

var blockChain core.BlockChain

func run(){
http.HandleFunc("/blockchain/get", blockchainGetHandler)
http.HandleFunc("/blockchain/write", blockchainWriteHandler)
http.ListenAndServe("localhost:8888", nil)
}

func blockchainGetHandler(writer http.ResponseWriter, request *http.Request) {
bytes, error := json.MarshalIndent(blockChain, "", "\t")
if error != nil {
http.Error(writer, error.Error(), http.StatusInternalServerError)
return
}
io.WriteString(writer, string(bytes))
}

func blockchainWriteHandler(writer http.ResponseWriter, request *http.Request){
data := request.URL.Query().Get("data")
blockChain.AddTransaction(data)
blockchainGetHandler(writer, request)
}

func main(){
blockChain = core.CreateBlockChain()
run()
}

實現方法非常簡單，設定兩個回撥函式，對應兩個URL，一個用來查詢當前區塊鏈，另一個用來向區塊鏈中新增交易。執行此程式，然後開啟瀏覽器，訪問 ofollow,noindex">http://localhost:8888/blockchain/get ，可以看到如下結果