【區塊鏈Go語言實現】第一部分：區塊鏈基本原型

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 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散式資料庫。但它之所以獨特，是因為它並不是一個私人的資料庫，而是一個公用資料庫，也就是說，每個使用它的人都有一份完整或部分的資料副本。並且，只有在資料庫的其他持有人同意的情況下，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，區塊是儲存有價值資訊的塊。例如，比特幣區塊用於儲存體交易，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資訊，比如它的版本、目前時間戳和前一區塊的散列值（雜湊值）。

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資訊。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（時間戳記）是區塊建立時刻的時間戳記，Data是包含在區塊中的實際有價值的資訊，PrevBlockHas儲存前一區塊的散列值，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資料結構，而交易（在我們的例子中是Data）也是一個單獨的資料結構。為了簡單起見，我們此處將它們混合在一起。

那麼如何計算散列值呢？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，即使在快速電腦上也需要一些時間（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，我們僅僅使用區塊欄位，串連它們，並在串連的組合上計算一個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建立：

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資料庫：它是一種有序的反向連結清單。這意味著區塊以插入順序進行儲存，並每個區塊會連結到前一區塊。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擷取到該區塊。

在Golang中，可以使用一個數組和一個map來實現這種結構：數組用於儲存有序的散列（在Go中數組是有序的），而map用於儲存散列->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，我從未想過它會這麼容易。

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)}

這樣就完了嗎？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建立創世區塊：

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建立一個區塊鏈：

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 BlockHash: aff955a50dc6cd2abfe81b8849eab15f99ed1dc333d38487024223b5fe0f1168Prev. hash: aff955a50dc6cd2abfe81b8849eab15f99ed1dc333d38487024223b5fe0f1168Data: Send 1 BTC to IvanHash: d75ce22a840abb9b4e8fc3b60767c4ba3f46a0432d3ea15b71aef9fde6a314e1Prev. hash: d75ce22a840abb9b4e8fc3b60767c4ba3f46a0432d3ea15b71aef9fde6a314e1Data: Send 2 more BTC to IvanHash: 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，我們建立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連結到前一區塊，不過實際的區塊鏈要比這複雜得多。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：在擷取添加區塊的許可權之前，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，區塊鏈是一種分散式資料庫，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路中的其他參與者確認和批准（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。

 

英文連結：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