區(qū)塊鏈算法及Go語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)

索引：
理論部分
構(gòu)建一個(gè)自己的區(qū)塊鏈
1.創(chuàng)建區(qū)塊
2.創(chuàng)建區(qū)塊鏈
3.http server暴露區(qū)塊鏈接口

代碼傳送門(mén)：https://github.com/Bing0514/simpleBlockChain

理論部分

區(qū)塊鏈就是一種特殊的分布式數(shù)據(jù)庫(kù)，沒(méi)有中間節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都是平等的，可以先任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)寫(xiě)入數(shù)據(jù)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都是平等的因此請(qǐng)求的數(shù)據(jù)會(huì)快速同步到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的所有節(jié)點(diǎn)，這個(gè)網(wǎng)絡(luò)沒(méi)有中心，沒(méi)有管理員，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都會(huì)寫(xiě)入交易數(shù)據(jù)，并且只能增查，不支持改刪。

目前區(qū)塊鏈主要分為三類(lèi)：

公有鏈 – 任何人都能讀取、交易等操作，如比特幣、以太坊等
私有鏈 – 一個(gè)公司和組織內(nèi)使用，一般是開(kāi)發(fā)節(jié)點(diǎn)、測(cè)試節(jié)點(diǎn)
聯(lián)盟鏈 – 主要針對(duì)有競(jìng)爭(zhēng)有需要合作的場(chǎng)景，其共識(shí)過(guò)程受到預(yù)選節(jié)點(diǎn)控制的區(qū)塊鏈 如Fabric R3聯(lián)盟（世界各大銀行組成） EEA（以太坊企業(yè)聯(lián)盟） 陽(yáng)光鏈等

解決的問(wèn)題：

價(jià)值傳遞問(wèn)題 – 交易雙方認(rèn)可的有用的物品進(jìn)行交互轉(zhuǎn)移，特點(diǎn)是轉(zhuǎn)移的時(shí)候轉(zhuǎn)讓方必須消失物品，受讓方必須接受到物品，在現(xiàn)實(shí)世界這是很容易的，但是在互聯(lián)網(wǎng)中很難實(shí)現(xiàn)，互聯(lián)網(wǎng)中更多的是數(shù)據(jù)的傳遞而非真正的價(jià)值，因此要引入第三方，比如支付寶等等，這樣一來(lái)對(duì)第三方有很強(qiáng)的依賴性。在區(qū)塊鏈中，人們通過(guò)區(qū)塊鏈記賬來(lái)解決互聯(lián)網(wǎng)中一份價(jià)值復(fù)制多份的問(wèn)題

特點(diǎn)：

不可篡改：只能增查，不支持改刪
可追溯：公開(kāi)透明（注意，可追溯不代表是數(shù)據(jù)是真實(shí)的）
去中心化

區(qū)塊鏈的六層架構(gòu)

應(yīng)用層 – 封裝了區(qū)塊鏈的各種應(yīng)用場(chǎng)景和案例
合約層 – 封裝各類(lèi)腳本和智能合約，是區(qū)塊鏈可編程的基礎(chǔ)
激勵(lì)層 – 主要應(yīng)用在公有鏈中，激勵(lì)遵守規(guī)則的節(jié)點(diǎn)，懲罰不遵守規(guī)則的節(jié)點(diǎn)(在某些區(qū)塊鏈系統(tǒng)中可能不存在)
共識(shí)層 – 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的共識(shí)區(qū)塊算法，決定了記賬方式
網(wǎng)絡(luò)層 – 數(shù)據(jù)傳播、數(shù)據(jù)驗(yàn)證機(jī)制、自動(dòng)組網(wǎng)功能等
數(shù)據(jù)層 – 底層數(shù)據(jù)區(qū)塊鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)個(gè)公私鑰、時(shí)間戳技術(shù)等（最核心最基礎(chǔ)）
應(yīng)用層通過(guò)RPC與區(qū)塊鏈其他部分進(jìn)行交互，分開(kāi)部署。

區(qū)塊鏈的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)

最基本的構(gòu)成單元是區(qū)塊，一個(gè)區(qū)塊由區(qū)塊頭和區(qū)塊體構(gòu)成，區(qū)塊頭中最重要的一個(gè)元素是父區(qū)塊的hash，每個(gè)元素都有父區(qū)塊的hash相當(dāng)于有了一個(gè)父區(qū)塊的指針，把一個(gè)一個(gè)的區(qū)塊連接起來(lái)，在鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)中，第一個(gè)區(qū)塊叫做創(chuàng)世區(qū)塊，這個(gè)區(qū)塊只有數(shù)據(jù)沒(méi)有父區(qū)塊hash值。每個(gè)每個(gè)hash值都是通過(guò)hash函數(shù)計(jì)算得來(lái)的。

hash函數(shù)的特點(diǎn)是：

  • 確定性：同樣的輸入，無(wú)論計(jì)算多少次都是一定的
  • 單向性：反推困難
  • 隱秘性：抗暴力破解
  • 抗篡改：改變一個(gè)比特，其hash值的變化非常大
  • 抗碰撞：hash值重復(fù)可能性非常小
    hash函數(shù)的實(shí)現(xiàn)：

MD系列

  • SHA系列，推薦使用SHA256，SHA3

  • 綜上區(qū)塊鏈其實(shí)很簡(jiǎn)單就是這樣的結(jié)構(gòu)：


    mt845650.0318_waldman_figure9_hiresen-usmsdn.10-2.png

構(gòu)建一個(gè)自己的區(qū)塊鏈

  • 實(shí)現(xiàn)鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)

  • 實(shí)現(xiàn)一個(gè)http server，對(duì)外暴露讀寫(xiě)接口，從而可以通過(guò)http請(qǐng)求來(lái)讀寫(xiě)鏈上數(shù)據(jù)
    目錄結(jié)構(gòu)：


    Captuqwere.png

步驟：

1.創(chuàng)建區(qū)塊 block.go

package demochain
 
import (
   "crypto/sha256"
   "encoding/hex"
   "time"
)
 
type Block struct {
   //區(qū)塊頭
   Index int64 // 區(qū)塊編號(hào) - 代表區(qū)塊在區(qū)塊鏈中的位置
   Timestamp int64 //區(qū)塊時(shí)間戳 - 區(qū)塊創(chuàng)建的時(shí)間
   PrevBlockHash string //上一個(gè)區(qū)塊的hash值
   Hash string //當(dāng)前區(qū)塊的hash值
 
// 區(qū)塊體
   Data string //區(qū)塊數(shù)據(jù)
}
 
/**
計(jì)算hash
 */
func calculateHash(b Block) string{
   blockData := string(b.Index) + string(b.Timestamp) + b.PrevBlockHash + b.Data
   hashInButes := sha256.Sum256([]byte(blockData)) //blockData是一個(gè)字符串，注意這里要轉(zhuǎn)換層字節(jié)切片
   return hex.EncodeToString(hashInButes[:])
}
 
/**
生成新的區(qū)塊 - 數(shù)據(jù)是基于前一個(gè)區(qū)塊的
 */
func GenerateNewBlock(preBlock Block, data string) Block{
   newBlock := Block{}
   newBlock.Index = preBlock.Index+1
   newBlock.PrevBlockHash = preBlock.Hash
   newBlock.Timestamp = time.Now().Unix()
   newBlock.Hash = calculateHash(newBlock)
   return newBlock
}
 
/**
生成創(chuàng)世區(qū)塊
index是0
hash是一個(gè)空值
 */
func GenerateGenesesBlock() Block{
   preBlock := Block{} //這個(gè)父區(qū)塊是不存在的，是為了函數(shù)復(fù)用
   preBlock.Index = -1
   preBlock.Hash = ""
   return GenerateNewBlock(preBlock,"Genesis Block")
}

2.創(chuàng)建區(qū)塊鏈 blockchain.go

package core
 
import (
   "fmt"
   "log"
)
 
type Blockchain struct {
   Blocks []*Block
}
 
/**
新建一個(gè)區(qū)塊鏈
 */
func NewBlockchain() *Blockchain {
   genesisBlock := GenerateGenesesBlock()
   blockchain := Blockchain{}
   blockchain.AppendBlock(&genesisBlock)
   return &blockchain
}
 
/**
寫(xiě)入一條數(shù)據(jù)
 */
func (bc *Blockchain)SendData(data string)  {
   preBlock := bc.Blocks[len(bc.Blocks) -1 ]
   newBlock := GenerateNewBlock(*preBlock,data)
   bc.AppendBlock(&newBlock)
}
 
func (bc *Blockchain) Print(){
   for _, block := range bc.Blocks{
      fmt.Printf("Index:%d\n", block.Index)
      fmt.Printf("Prev.Hash:%s\n", block.PrevBlockHash)
      fmt.Printf("Curr.Hash:%s\n", block.Hash)
      fmt.Printf("Data:%s\n",block.Data)
      fmt.Printf("Timestamp:%d\n",block.Timestamp)
      fmt.Println()
   }
}
 
/**
添加新的區(qū)塊
 */
func (bc *Blockchain) AppendBlock(newBlock *Block)  {
   if len(bc.Blocks) == 0 {
      bc.Blocks = append(bc.Blocks,newBlock)
      return
   }
   if(isValid(*newBlock,*bc.Blocks[len(bc.Blocks) -1])){
      bc.Blocks = append(bc.Blocks,newBlock)
   }else {
      log.Fatal("invalid block")
   }
}
 
func isValid(newBlock Block, oldBlock Block) bool{
   if(newBlock.Index - 1 != oldBlock.Index){
      return false
   }
   if newBlock.PrevBlockHash != oldBlock.Hash{
      return false;
   }
   if calculateHash(newBlock) != newBlock.Hash{
      return false;
   }
   return true;
}

接下來(lái)創(chuàng)建一個(gè)main來(lái)運(yùn)行

package main
 
import "demochain/core"
 
func main()  {
   bc := core.NewBlockchain()
   bc.SendData("Send 1 BTC to Jacky")
   bc.SendData("Send 1 EOS to Jack")
   bc.Print()
}

運(yùn)行結(jié)果

InkedCapture_LI-768x635.jpg

說(shuō)明（這里前面都提到過(guò))：

第一個(gè)index為0的區(qū)塊是創(chuàng)世區(qū)塊，是沒(méi)有父區(qū)塊的hash的
可以看到第一個(gè)區(qū)塊到第二個(gè)區(qū)塊到第三個(gè)區(qū)塊到之后的區(qū)塊都是通過(guò)之前一個(gè)區(qū)塊的hash來(lái)生成自己的hash的，這就是為什么叫做區(qū)塊鏈的鏈

3.創(chuàng)建http server

這里我們讓這個(gè)區(qū)塊鏈通過(guò)API暴露出來(lái)可以被寫(xiě)入數(shù)據(jù)和讀取數(shù)據(jù)

package main
 
import (
   "demochain/core"
   "encoding/json"
   "io"
   "net/http"
)
 
var blockchain *core.Blockchain
 
func run()  {
   http.HandleFunc("/blockchain/get", blockchainGetHandler)
   http.HandleFunc("/blockchain/write",blockchainWriteHandler)
   http.ListenAndServe("localhost:8641",nil)
}
 
func blockchainGetHandler(w http.ResponseWriter, r *http.Request)  {
   bytes,error := json.Marshal(blockchain)
   if error != nil{
      http.Error(w, error.Error(),http.StatusInternalServerError)
      return
   }
   io.WriteString(w, string(bytes))
}
 
func blockchainWriteHandler(w http.ResponseWriter, r *http.Request)  {
   blockData := r.URL.Query().Get("data")
   blockchain.SendData(blockData)
   blockchainGetHandler(w,r)
}
 
func main()  {
   blockchain = core.NewBlockchain()
   run()
}

運(yùn)行這個(gè)main方法，啟動(dòng)一個(gè)http server，首先看到的是創(chuàng)世區(qū)塊，因此這個(gè)時(shí)候還沒(méi)有寫(xiě)入數(shù)據(jù)


2.png

然后寫(xiě)入兩個(gè)區(qū)塊數(shù)據(jù)看效果


5.png

本文作者熊冰，個(gè)人網(wǎng)站Bing的天涯路，轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。

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