基本原型

引言

区块链是 21 世纪最具革命性的技术之一,它仍然处于不断成长的阶段,而且还有很多潜力尚未显现。 本质上,区块链只是一个分布式数据库而已。 不过,使它独一无二的是,区块链是一个公开的数据库,而不是一个私人数据库,也就是说,每个使用它的人都有一个完整或部分的副本。 只有经过其他“数据库管理员”的同意,才能向数据库中添加新的记录。 此外,也正是由于区块链,才使得加密货币和智能合约成为现实。

在本系列文章中,我们将实现一个简化版的区块链,并基于它来构建一个简化版的加密货币。

区块

首先从 “区块” 谈起。在区块链中,真正存储有效信息的是区块(block)。而在比特币中,真正有价值的信息就是交易(transaction)。实际上,交易信息是所有加密货币的价值所在。除此以外,区块还包含了一些技术实现的相关信息,比如版本,当前时间戳和前一个区块的哈希。

不过,我们要实现的是一个简化版的区块链,而不是一个像比特币技术规范所描述那样成熟完备的区块链。所以在我们目前的实现中,区块仅包含了部分关键信息,它的数据结构如下:

type Block struct {
    Timestamp     int64
    Data          []byte
    PrevBlockHash []byte
    Hash          []byte
}
字段 解释
Timestamp 当前时间戳,也就是区块创建的时间
PrevBlockHash 前一个块的哈希,即父哈希
Hash 当前块的哈希
Data 区块存储的实际有效信息,也就是交易

我们这里的 TimestampPrevBlockHash, Hash,在比特币技术规范中属于区块头(block header),区块头是一个单独的数据结构。 完整的 比特币的区块头(block header)结构 如下:

Field Purpose Updated when... Size (Bytes)
Version Block version number You upgrade the software and it specifies a new version 4
hashPrevBlock 256-bit hash of the previous block header A new block comes in 32
hashMerkleRoot 256-bit hash based on all of the transactions in the block A transaction is accepted 32
Time Current timestamp as seconds since 1970-01-01T00:00 UTC Every few seconds 4
Bits Current target in compact format The difficulty is adjusted 4
Nonce 32-bit number (starts at 0) A hash is tried (increments) 4

下面是比特币的 golang 实现 btcd 的 BlockHeader 定义:

// 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
}

而我们的 Data, 在比特币中对应的是交易,是另一个单独的数据结构。为了简便起见,目前将这两个数据结构放在了一起。在真正的比特币中,区块 的数据结构如下:

Field Description Size
Magic no value always 0xD9B4BEF9 4 bytes
Blocksize number of bytes following up to end of block 4 bytes
Blockheader consists of 6 items 80 bytes
Transaction counter positive integer VI = VarInt 1 - 9 bytes
transactions the (non empty) list of transactions -many transactions

在我们的简化版区块中,还有一个 Hash 字段,那么,要如何计算哈希呢?哈希计算,是区块链一个非常重要的部分。正是由于它,才保证了区块链的安全。计算一个哈希,是在计算上非常困难的一个操作。即使在高速电脑上,也要耗费很多时间 (这就是为什么人们会购买 GPU,FPGA,ASIC 来挖比特币) 。这是一个架构上有意为之的设计,它故意使得加入新的区块十分困难,继而保证区块一旦被加入以后,就很难再进行修改。在接下来的内容中,我们将会讨论和实现这个机制。

目前,我们仅取了 Block 结构的部分字段(Timestamp, DataPrevBlockHash),并将它们相互拼接起来,然后在拼接后的结果上计算一个 SHA-256,然后就得到了哈希.

Hash = SHA256(PrevBlockHash + Timestamp + Data)

SetHash 方法中完成这些操作:

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[:]
}

接下来,按照 Golang 的惯例,我们会实现一个用于简化创建区块的函数 NewBlock

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

区块链

有了区块,下面让我们来实现区块。本质上,区块链就是一个有着特定结构的数据库,是一个有序,每一个块都连接到前一个块的链表。也就是说,区块按照插入的顺序进行存储,每个块都与前一个块相连。这样的结构,能够让我们快速地获取链上的最新块,并且高效地通过哈希来检索一个块。

在 Golang 中,可以通过一个 array 和 map 来实现这个结构:array 存储有序的哈希(Golang 中 array 是有序的),map 存储 hash -> block 对(Golang 中, map 是无序的)。 但是在基本的原型阶段,我们只用到了 array,因为现在还不需要通过哈希来获取块。

type Blockchain struct {
    blocks []*Block
}

这就是我们的第一个区块链!是不是出乎意料地简单? 就是一个 Block 数组。

现在,让我们能够给它添加一个区块:

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

结束!不过,就这样就完成了吗?

为了加入一个新的块,我们必须要有一个已有的块,但是,初始状态下,我们的链是空的,一个块都没有!所以,在任何一个区块链中,都必须至少有一个块。这个块,也就是链中的第一个块,通常叫做创世块(genesis block). 让我们实现一个方法来创建创世块:

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

现在,我们可以实现一个函数来创建有创世块的区块链:

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

检查一个我们的区块链是否如期工作:

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()
    }
}

输出:

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

总结

我们创建了一个非常简单的区块链原型:它仅仅是一个数组构成的一系列区块,每个块都与前一个块相关联。真实的区块链要比这复杂得多。在我们的区块链中,加入新的块非常简单,也很快,但是在真实的区块链中,加入新的块需要很多工作:你必须要经过十分繁重的计算(这个机制叫做工作量证明),来获得添加一个新块的权力。并且,区块链是一个分布式数据库,并且没有单一决策者。因此,要加入一个新块,必须要被网络的其他参与者确认和同意(这个机制叫做共识(consensus))。还有一点,我们的区块链还没有任何的交易!

进入 src 目录查看代码,执行 make 即可运行:

$ cd src
$ make
==> Go build
==> Running
Prev. hash:
Data: Genesis Block
Hash: 4693b71eee96760de4b0f051083376dcbed2f0711a44294ee5fd42fbeacc9579

Prev. hash: 4693b71eee96760de4b0f051083376dcbed2f0711a44294ee5fd42fbeacc9579
Data: Send 1 BTC to Ivan
Hash: 839380a2d0af1dc4686f16ade5423fecdc5f287db9322d9e18adcb4071e7c8ff

Prev. hash: 839380a2d0af1dc4686f16ade5423fecdc5f287db9322d9e18adcb4071e7c8ff
Data: Send 2 more BTC to Ivan
Hash: b38052a029bd2b1b9d4bb478af45b4c88605e99bc64e49031ba06d21ad4b0b38

参考:

[1] Block hashing algorithm

[2] Building Blockchain in Go. Part 1: Basic Prototype


bitcoin wiki 的区块结构:

Field Description Size
Magic no value always 0xD9B4BEF9 4 bytes
Blocksize number of bytes following up to end of block 4 bytes
Blockheader consists of 6 items 80 bytes
Transaction counter positive integer VI = VarInt 1 - 9 bytes
transactions the (non empty) list of transactions -many transactions

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