在Go中构建区块链-1-基本原型

本文译自 Building Blockchain in Go. Part 1: Basic Prototype

简介

区块链是21世纪最革命性的技术之一，仍然在不断发展，其潜力尚未充分实现。本质上，区块链只是一种分布式记录数据库。但使其独特的是，它不是私有数据库，而是公共数据库，即每个使用它的人都拥有其全部或部分副本。新的记录只能在数据库的其他维护者同意的情况下添加。此外，正是区块链使加密货币和智能合约成为可能。

在这一系列的文章中，我们将构建一个基于简单区块链实现的简化加密货币。

区块

让我们从“区块链”中的“区块”部分开始。在区块链中，存储有价值信息的是区块。例如，比特币区块存储交易，这是任何加密货币的本质。除此之外，一个区块还包含一些技术信息，如其版本、当前时间戳和前一区块的哈希值。在本文中，我们不打算按照区块链或比特币规范实现区块，而是使用其简化版本，仅包含重要信息。以下是其结构：

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

Timestamp是当前时间戳（区块创建时的时间），Data是包含在区块中的实际有价值的信息，PrevBlockHash存储前一区块的哈希值，而Hash是区块的哈希值。在比特币规范中，Timestamp、PrevBlockHash和Hash构成区块头，形成一个独立的数据结构，而交易（在我们的情况中是Data）是另一个独立的数据结构。出于简化考虑，我们在这里将它们混合在一起。

那么我们如何计算哈希值呢？哈希值的计算方式是区块链的一个非常重要的特性，正是这个特性使得区块链具有安全性。问题在于计算哈希是一项计算上困难的操作，即使在高速计算机上也需要一些时间（这就是为什么人们购买强大的GPU来挖掘比特币的原因）。这是一种有意的架构设计，使得添加新区块变得困难，从而防止它们在添加后被修改。我们将在未来的文章中讨论并实现这一机制。

目前，我们将简单地取区块字段，连接它们，然后对连接的组合计算SHA-256哈希值。让我们在SetHash方法中完成这个操作：

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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，遵循Golang的约定，我们将实现一个简化区块创建过程的函数：

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

区块链

现在让我们来实现一个区块链。在其本质上，区块链只是一种具有特定结构的数据库：它是一个有序的、反向链接的列表。这意味着区块按照插入顺序存储，并且每个区块链接到前一个区块。这种结构允许快速获取链中的最新区块，并（高效地）通过其哈希获取区块。

在Golang中，可以通过使用数组和哈希表（map）来实现这种结构：数组将保持有序的哈希值（在Go中数组是有序的），而map（哈希表）将保持哈希值到区块的映射（map是无序的）。但对于我们的区块链原型，我们将只使用数组，因为目前我们不需要通过哈希值获取区块。

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type Blockchain struct {
	blocks []*Block
}

这是我们的第一个区块链！我从没想过会这么容易😉

现在让我们可以向其中添加块：

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

就是这样！还是有点不够。。

要添加一个新区块，我们需要一个已经存在的区块，但是在我们的区块链中还没有区块！在任何区块链中，必须至少有一个区块（被称为创世块）。让我们实现一个创建这样一个区块的方法：

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

现在，我们可以实现一个使用创世块创建区块链的函数：

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

让我们检查一下区块链是否正常工作：

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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：

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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

就是这样！

结论

我们构建了一个非常简单的区块链原型：它只是一个区块数组，每个区块都与前一个区块相连接。然而，实际的区块链要复杂得多。在我们的区块链中，添加新区块是轻松而快速的，但在真实的区块链中，添加新区块需要一些工作：在获得添加区块权限之前，必须执行一些繁重的计算（这个机制被称为工作量证明 Proof-of-Work PoW）。此外，区块链是一个分布式数据库，没有单一的决策者。因此，新区块必须得到网络其他参与者的确认和批准（这个机制被称为共识）。而且，在我们的区块链中还没有交易！

在未来的文章中，我们将涵盖这些特性中的每一个。