【区块链Go语言实现】Part 1：区块链基本原型

0x00 介绍

区块链（Blockchain）是21世纪最具革命性的技术之一，目前它仍处于逐渐成熟阶段，且其发展潜力尚未被完全意识到。从本质上讲，区块链只是一种记录的分布式数据库。但它之所以独特，是因为它并不是一个私有的数据库，而是一个公共数据库，也就是说，每个使用它的人都有一份完整或部分的数据副本。并且，只有在数据库的其他持有者同意的情况下，才可以向区块链中添加新的记录。此外，正是区块链使得加密货币和智能合约成为可能。

在本系列文章中，我们将基于区块链构建一种简单的加密货币。

0x01 区块

首先，我们从“区块链”中的“区块”介绍开始。在区块链中，区块是存储有价值信息的块。例如，比特币区块用于存储交易，这是任何一种加密货币的本质。除此之外，区块还包含一些技术信息，比如它的版本、当前时间戳和前一区块的散列值（哈希值）。

在本文中，我们不打算实现区块链或比特币规范中描述的那种区块，而是使用它的简化版本，即我们将要实现的区块结构中只包含重要的信息。下面代码中为我们的区块结构：

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

Timestamp（时间戳）是区块创建时刻的时间戳，Data是包含在区块中的实际有价值的信息，PrevBlockHas存储前一区块的散列值，而Hash是当前区块的散列值。在比特币规范中，Timestamp、PrevBlockHash和Hash是区块头，它们组成了一个单独的数据结构，而交易（在我们的例子中是Data）也是一个单独的数据结构。为了简单起见，我们此处将它们混合在一起。

那么如何计算散列值呢？散列值的计算方式是区块链的一个十分重要的特性，正是该特性使得区块链变得安全。计算一个区块的散列值是一种计算上十分困难的操作，即使在快速计算机上也需要一些时间（这就是人们会购买强大的GPU来挖比特币的原因）。这是一种有意的架构设计，它使得添加新的区块变得很困难，因此可以防止对已有区块的篡改。我们将在以后的文章中讨论并实现这种机制。

现在，我们仅仅使用区块字段，连接它们，并在连接的组合上计算一个SHA-256散列值。下面，我们使用SetHash方法来实现这一操作：

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[:]
}

接下来，依照Golang惯例，我们将实现一个函数来简化区块的创建：

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

这样，我们就准备好了区块的工作！

0x02 区块链

现在，我们来实现一个区块链。实质上，区块链只是一个包含某些特定结构的数据库：它是一种有序的反向链接列表。这意味着区块以插入顺序进行存储，并每个区块会链接到前一区块。这个结构能够保证快速获得一个区块链中最新的区块，并能够通过区块散列值高效地获取到该区块。

在Golang中，可以使用一个数组和一个map来实现这种结构：数组用于保存有序的散列（在Go中数组是有序的），而map用于保存散列->区块对（map是无序的）。然而，对于我们的区块链原型来说，我们仅仅使用一个数组，因为现在我们不需要通过区块的散列来获得对应的区块。

type Blockchain struct {
    blocks []*Block
}

这是我们的第一个区块链，我从未想过它会这么容易。

现在我们实现添加区块的功能：

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

这样就完了么？No！

为了向区块链中添加一个新区块，我们需要确保已经存在了一个区块，但是目前我们的区块链中并未存在任何区块。所以，在任何区块链中，都必须存在至少一个区块，区块链中的首个区块称为创世区块。下面，我们实现一个方法来创建创世区块：

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

现在，我们可以实现一个函数来使用创世区块创建一个区块链：

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

下面，我们来检查一下我们的区块链是否能够正常工作：

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()
    }
}

输出结果如下：

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

通过上面的结果，我们可以确定该区块链可以正常工作。

0x03 结论

本文中，我们创建了一个非常简单的区块链原型：它仅仅是一个区块数组，其中每个区块都有一个链接到前一区块，不过实际的区块链要比这复杂得多。在我们的区块链中，添加新的区块简单快速，但在实际的区块链中添加新区块则需要做一些工作：在获取添加区块的权限之前，区块添加者（或者说节点）必须执行一些繁重的计算（这种机制称为工作证明，Proof-of-Work，POW）。此外，区块链是一种分布式数据库，所以并没有一个唯一的决策者。因此，一个新的区块必须由网络中的其他参与者确认和批准（这种机制称为共识机制）。最后，目前我们的区块链中还没有交易!在后续的文章中我们将逐步讨论这些功能和特点。

下一篇《【区块链Go语言实现】Part 2：工作量证明机制POW》中我们将介绍区块链中的工作量证明机制。

英文链接：https://jeiwan.cc/posts/building-blockchain-in-go-part-1/