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引言

區(qū)塊鏈?zhǔn)?21 世紀(jì)最具革命性的技術(shù)之一，它仍然處于不斷成長(zhǎng)的階段，而且還有很多潛力尚未顯現(xiàn)出來(lái)。 本質(zhì)上，區(qū)塊鏈只是一個(gè)分布式數(shù)據(jù)庫(kù)而已。 不過(guò)，使它獨(dú)一無(wú)二的是，區(qū)塊鏈?zhǔn)且粋€(gè)公開(kāi)的數(shù)據(jù)庫(kù)，而不是一個(gè)私人數(shù)據(jù)庫(kù)，也就是說(shuō)，每個(gè)使用它的人都有一個(gè)完整或部分的副本。 只有經(jīng)過(guò)其他數(shù)據(jù)庫(kù)管理員的同意，才能向數(shù)據(jù)庫(kù)中添加新的記錄。 此外，也正是由于區(qū)塊鏈，才使得加密貨幣和智能合約成為現(xiàn)實(shí)。

在本系列文章中，我們將實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)化版的區(qū)塊鏈，基于它來(lái)構(gòu)建簡(jiǎn)化版的加密貨幣。

區(qū)塊

讓我們從 “區(qū)塊鏈” 中的 “區(qū)塊” 談起。在區(qū)塊鏈中，存儲(chǔ)有效信息的是區(qū)塊。比如，比特幣區(qū)塊存儲(chǔ)的有效信息，就是比特幣交易，交易信息也是所有加密貨幣的本質(zhì)。除此以外，區(qū)塊還包含了一些技術(shù)信息，比如版本，當(dāng)前時(shí)間戳和前一個(gè)區(qū)塊的哈希。

在本文中，我們并不會(huì)實(shí)現(xiàn)一個(gè)像比特幣技術(shù)規(guī)范所描述的區(qū)塊鏈，而是實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)化版的區(qū)塊鏈，它僅包含了一些關(guān)鍵信息?？雌饋?lái)就像是這樣：

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

• Timestamp 是當(dāng)前時(shí)間戳，也就是區(qū)塊創(chuàng)建的時(shí)間。
• Data 是區(qū)塊存儲(chǔ)的實(shí)際有效的信息。
• PrevBlockHash 存儲(chǔ)的是前一個(gè)塊的哈希。
• Hash 是當(dāng)前塊的哈希。

在比特幣技術(shù)規(guī)范中，Timestamp, PrevBlockHash, Hash 是區(qū)塊頭（block header），區(qū)塊頭是一個(gè)單獨(dú)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。而交易，也就是這里的 Data, 是另一個(gè)單獨(dú)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。為了簡(jiǎn)便起見(jiàn)，我把這兩個(gè)混合在了一起。

那么，我們要如何計(jì)算哈希呢？如何計(jì)算哈希，是區(qū)塊鏈一個(gè)非常重要的部分。正是由于這個(gè)特性，才使得區(qū)塊鏈?zhǔn)前踩摹Ｓ?jì)算一個(gè)哈希，是在計(jì)算上非常困難的一個(gè)操作。即使在高速電腦上，也要花費(fèi)不少時(shí)間 (這就是為什么人們會(huì)購(gòu)買 GPU 來(lái)挖比特幣) 。這是一個(gè)有意為之的架構(gòu)設(shè)計(jì)，它故意使得加入新的區(qū)塊十分困難，因此可以保證區(qū)塊一旦被加入以后，就很難再進(jìn)行修改。在本系列未來(lái)幾篇文章中，我們將會(huì)討論和實(shí)現(xiàn)這個(gè)機(jī)制。

目前，我們僅取了 Block 結(jié)構(gòu)的一些字段（Timestamp, Data 和 PrevBlockHash），并將它們相互連接起來(lái)，然后在連接后的結(jié)果上計(jì)算一個(gè) SHA-256 的哈希. 讓我們?cè)?SetHash 方法中完成這個(gè)任務(wù)：

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(lái)，按照 Golang 的慣例，我們會(huì)實(shí)現(xiàn)一個(gè)用于簡(jiǎn)化創(chuàng)建一個(gè)區(qū)塊的函數(shù)：

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

這就是區(qū)塊部分的全部?jī)?nèi)容了！

區(qū)塊鏈

下面讓我們來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)區(qū)塊鏈。本質(zhì)上，區(qū)塊鏈僅僅是一個(gè)有著特定結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)庫(kù)，是一個(gè)有序，后向連接的列表。這也就是說(shuō)，區(qū)塊按照插入的順序進(jìn)行存儲(chǔ)，每個(gè)塊都被連接到前一個(gè)塊。這樣的結(jié)構(gòu)，能夠讓我們快速地獲取鏈上的最新塊，并且高效地通過(guò)哈希來(lái)檢索一個(gè)塊。

在 Golang 中，可以通過(guò)一個(gè) array 和 map 來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)結(jié)構(gòu)：array 存儲(chǔ)有序的哈希（Golang 中 array 是有序的），map 存儲(chǔ) hask -> block 對(duì)(Golang 中, map 是無(wú)序的)。 但是在基本的原型階段，我們只用到了 array，因?yàn)楝F(xiàn)在還不需要通過(guò)哈希來(lái)獲取塊。

type Blockchain struct {
    blocks []*Block
}

這就是我們的第一個(gè)區(qū)塊鏈！我從來(lái)沒(méi)有想過(guò)它會(huì)是這么容易。

現(xiàn)在，讓我們能夠給它添加一個(gè)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(guò)，真的就這樣了嗎？

為了加入一個(gè)新的塊，我們必須要有一個(gè)已有的塊，但是，現(xiàn)在我們的鏈?zhǔn)强盏模粋€(gè)塊都沒(méi)有！所以，在任何一個(gè)區(qū)塊鏈中，都必須至少有一個(gè)塊。這樣的塊，也就是鏈中的第一個(gè)塊，通常叫做創(chuàng)世塊（genesis block）. 讓我們實(shí)現(xiàn)一個(gè)方法來(lái)創(chuàng)建一個(gè)創(chuàng)世塊：

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

現(xiàn)在，我們可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)函數(shù)來(lái)創(chuàng)建有創(chuàng)世塊的區(qū)塊鏈：

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

來(lái)檢查一個(gè)我們的區(qū)塊鏈?zhǔn)欠袢缙诠ぷ鳎?/p>

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 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

output

總結(jié)

我們創(chuàng)建了一個(gè)非常簡(jiǎn)單的區(qū)塊鏈原型：它僅僅是一個(gè)數(shù)組構(gòu)成的一系列區(qū)塊，每個(gè)塊都與前一個(gè)塊相關(guān)聯(lián)。真實(shí)的區(qū)塊鏈要比這復(fù)雜得多。在我們的區(qū)塊鏈中，加入新的塊非常簡(jiǎn)單，而且很快，但是在真實(shí)的區(qū)塊鏈中，加入新的塊需要很多工作：你必須要經(jīng)過(guò)十分繁重的計(jì)算（這個(gè)機(jī)制叫做工作量證明），來(lái)獲得添加一個(gè)新塊的權(quán)力。并且，區(qū)塊鏈?zhǔn)且粋€(gè)沒(méi)有單一決策者的分布式數(shù)據(jù)庫(kù)。因此，一個(gè)新的塊必須要被網(wǎng)絡(luò)的其他參與者確認(rèn)和同意（這個(gè)機(jī)制叫做共識(shí)（consensus））。還有一點(diǎn)，我們的區(qū)塊鏈還沒(méi)有任何的交易！

在接下來(lái)的文章的我們將會(huì)一一覆蓋這些特性。

1. 本文涉及的源代碼：part_1

2. 區(qū)塊哈希算法：https://en.bitcoin.it/wiki/Block_hashing_algorithm

原文：

Building Blockchain in Go. Part 1: Basic Prototype