用 Go 構建一個區塊鏈 ---- Part 1: 基本原型_區塊鏈

翻譯的系列文章我已經放到了 GitHub 上：blockchain-tutorial，後續如有更新都會在 GitHub 上，可能就不在這裡同步了。如果想直接運行代碼，也可以 clone GitHub 上的教程倉庫，進入 src 目錄執行 make 即可。 引言

區塊鏈是 21 世紀最具革命性的技術之一，它仍然處於不斷成長的階段，而且還有很多潛力尚未顯現出來。 本質上，區塊鏈只是一個分散式資料庫而已。 不過，使它獨一無二的是，區塊鏈是一個公開的資料庫，而不是一個私人資料庫，也就是說，每個使用它的人都有一個完整或部分的副本。 只有經過其他資料庫管理員的同意，才能向資料庫中添加新的記錄。 此外，也正是由於區塊鏈，才使得加密貨幣和智能合約成為現實。

在本系列文章中，我們將實現一個簡化版的區塊鏈，基於它來構建簡化版的加密貨幣。 區塊

讓我們從 “區塊鏈” 中的 “區塊” 談起。在區塊鏈中，儲存有效資訊的是區塊。比如，比特幣區Block Storage的有效資訊，就是比特幣交易，交易資訊也是所有加密貨幣的本質。除此以外，區塊還包含了一些技術資訊，比如版本，目前時間戳和前一個區塊的雜湊。

在本文中，我們並不會實現一個像比特幣技術規範所描述的區塊鏈，而是實現一個簡化版的區塊鏈，它僅包含了一些關鍵資訊。看起來就像是這樣：

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

Timestamp 是目前時間戳，也就是區塊建立的時間。 Data 是區Block Storage的實際有效資訊。 PrevBlockHash 儲存的是前一個塊的雜湊。 Hash 是當前塊的雜湊。

在比特幣技術規範中，Timestamp, PrevBlockHash, Hash 是區塊頭（block header），區塊頭是一個單獨的資料結構。而交易，也就是這裡的 Data, 是另一個單獨的資料結構。為了簡便起見，我把這兩個混合在了一起。

那麼，我們要如何計算雜湊呢。如何計算雜湊，是區塊鏈一個非常重要的部分。正是由於這個特性，才使得區塊鏈是安全的。計算一個雜湊，是在計算上非常困難的一個操作。即使在高速電腦上，也要花費不少時間 (這就是為什麼人們會購買 GPU 來挖比特幣) 。這是一個有意為之的架構設計，它故意使得加入新的區塊十分困難，因此可以保證區塊一旦被加入以後，就很難再進行修改。在本系列未來幾篇文章中，我們將會討論和實現這個機制。

目前，我們僅取了 Block 結構的一些欄位（Timestamp, Data 和 PrevBlockHash），並將它們相互串連起來，然後在串連後的結果上計算一個 SHA-256 的雜湊. 讓我們在 SetHash 方法中完成這個任務：

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，按照 Golang 的慣例，我們會實現一個用於簡化建立一個區塊的函數：

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

這就是區塊部分的全部內容了。 區塊鏈

下面讓我們來實現一個區塊鏈。本質上，區塊鏈僅僅是一個有著特定結構的資料庫，是一個有序，後向串連的列表。這也就是說，區塊按照插入的順序進行儲存，每個塊都被串連到前一個塊。這樣的結構，能夠讓我們快速地擷取鏈上的最新塊，並且高效地通過雜湊來檢索一個塊。

在 Golang 中，可以通過一個 array 和 map 來實現這個結構：array 儲存有序的雜湊（Golang 中 array 是有序的），map 儲存 hask -> block 對(Golang 中, map 是無序的)。 但是在基本的原型階段，我們只用到了 array，因為現在還不需要通過雜湊來擷取塊。

type Blockchain struct {    blocks []*Block}

這就是我們的第一個區塊鏈。我從來沒有想過它會是這麼容易。

現在，讓我們能夠給它添加一個塊：

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

完成。不過，真的就這樣了嗎。

為了加入一個新的塊，我們必須要有一個已有的塊，但是，現在我們的鏈是空的，一個塊都沒有。所以，在任何一個區塊鏈中，都必須至少有一個塊。這樣的塊，也就是鏈中的第一個塊，通常叫做創世塊（genesis block）. 讓我們實現一個方法來建立一個創世塊：

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

現在，我們可以實現一個函數來建立有創世塊的區塊鏈：

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

來檢查一個我們的區塊鏈是否如期工作：

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()    }}

輸出：

Prev. hash:Data: Genesis BlockHash: aff955a50dc6cd2abfe81b8849eab15f99ed1dc333d38487024223b5fe0f1168Prev. hash: aff955a50dc6cd2abfe81b8849eab15f99ed1dc333d38487024223b5fe0f1168Data: Send 1 BTC to IvanHash: d75ce22a840abb9b4e8fc3b60767c4ba3f46a0432d3ea15b71aef9fde6a314e1Prev. hash: d75ce22a840abb9b4e8fc3b60767c4ba3f46a0432d3ea15b71aef9fde6a314e1Data: Send 2 more BTC to IvanHash: 561237522bb7fcfbccbc6fe0e98bbbde7427ffe01c6fb223f7562288ca2295d1

總結

我們建立了一個非常簡單的區塊鏈原型：它僅僅是一個數組構成的一系列區塊，每個塊都與前一個塊相關聯。真實的區塊鏈要比這複雜得多。在我們的區塊鏈中，加入新的塊非常簡單，而且很快，但是在真實的區塊鏈中，加入新的塊需要很多工作：你必須要經過十分繁重的計算（這個機制叫做工作量證明），來獲得添加一個新塊的權力。並且，區塊鏈是一個沒有單一決策者的分散式資料庫。因此，一個新的塊必須要被網路的其他參與者確認和同意（這個機制叫做共識（consensus））。還有一點，我們的區塊鏈還沒有任何的交易。

在接下來的文章的我們將會一一覆蓋這些特性。

本文涉及的原始碼：part_1

區塊雜湊演算法：https://en.bitcoin.it/wiki/Block_hashing_algorithm

原文：

Building Blockchain in Go. Part 1: Basic Prototype