简单区块链的实现

1. 区块的原理和实现

我们从“区块链”的“区块”部分开始。区块是区块链中最基本的数据结构，在区块链中，区块存储了有价值信息。例如，比特币区块存储了交易数据，除此之外，区块中还包含其它信息：版本号，当前时间和前一个块的哈希值等。我们把bitcoin的区块定义稍作简化，作为MiniBC的区块定义：

type Block struct {
	Version       int32  //协议版本号
	HashPrevBlock []byte //上一个区块的hash值，长度为32个字节
	Time          int32  //时间戳，从1970.01.01 00:00:00到当前时间的秒数
	Bits          int32  //工作量证明(POW)的难度
	Nonce         int32  //要找的符合POW要求的的随机数

	Data []byte //区块存储的内容，在虚拟币中用来存储交易信息
}

其中：Version是版本号，类型是32位整数。Time是当前时间戳，也就是创建区块的时间，Bits和Nonce暂时不用考虑，后面在工作量证明(pow）部分再做详细讲解。Data是包含在区块中的实际最有价值信息，凡是区块链中要存储的内容全部包含在里面。PrevBlockHash存储前一个区块的哈希值（Hash）。在实际的区块链项目中，比如bitcoin（比特币），区块包含区块头和区块体两个部分，Data数据保存在去区块体，其它信息包含在区块头中。我们为了简单起见，将区块头和区块体合二为一。

那么我们如何计算哈希？哈希计算方法是区块链的一个非常重要的特点，正是这个特点使区块链变得安全。哈希计算比较耗时，像比特币挖矿的过程就是哈希计算的过程 ，这也是人们购买计算能力更强大的GPU来挖掘比特币的原因，象比特大陆设计了专门的芯片和矿机以提高哈希计算的能力。关于引入哈希计算的目的，以后会详细讨论

获得一个区块的哈市值非常简单，就是把区块头中的数据连接在一起，调用golang中"crypto/sha256"包函数，得到一个32字节(256位)长度的二进制数据，这就是该区块的哈希值。

工作过程：首先把区块头一些整数项通过IntToByte方法加工为[]byte，然后调用bytes.Join方法将区块头的全部数据连接在一起，最后调用sha256.Sum256法法为输入的[]byte数据生成32字节的[]byte哈希值。

func (block *Block) GetHash() []byte {

	version := IntToByte(block.Version)
	time := IntToByte(block.Time)
	bits := IntToByte(block.Bits)
	nonce := IntToByte(block.Nonce)

	data := bytes.Join([][]byte{version, block.HashPrevBlock, time, bits, nonce, block.Data}, []byte{})
	hash := sha256.Sum256(data)
	return hash[:]
} 

我们为了简化区块的创建过程，提供了区块创建函数:

func NewBlock(data string, prevHash []byte) *Block {
	block := Block{
		Version:       VERSION,
		HashPrevBlock: prevHash,
		Time:          int32(time.Now().Unix()),
		Bits:          0,
		Nonce:         0,
		Data:          []byte(data),
	}
	return &block
}

由于区块链中第一个区块没有前一个区块，所以区块结构中HashPrevBlock需要置为空数据[]byte{}。区块链中第一个区块通常称为“创世纪区块”，我们单独为创建创世纪区块提供了一个方法：

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

区块就这么简单！

2. 区块链的原理和实现

区块链本身的数据结构并不复杂，它是将数据块Block连接在一起的链表。所以我们首先要做的工作就是将区块链定义为一个链表，链表中每一个节点的内容是区块Block。链表对于软件开发人员来说，是最为熟悉的基本数据结构，通常的定义方式如下：

type Object interface{} //节点中存储的数据的类型

type Node struct {
	Data Object //节点存储的数据
	Next *Node //指向下一个节点的指针
}

type List struct {
	HeadNode *Node //头节点
}

不熟悉链表的同学可以再回去补补链表的知识，包括链表的定义，遍历，我们的项目暂时还用不到，但后续的工作中会用到。为了简单起见，我们先简化区块链BlockChain的定义，将区块Block的组织方式暂定为切片（数组），切片既具备数据存储的能力，又具备顺序组织数据的能力。

type Blockchain struct {
	blocks []*Block
}

这是我们的第一个区块链！这也太简单了吧，实际上真正的区块链从总体上来看，也就是这么简单，但是要做到安全缜密，还需做大量的工作。

现在可以随时在我们创建的区块链上添加一个区块：

func (bc *BlockChain) AddBlock(data string) {
	if (bc.Blocks == nil || len(bc.Blocks) < 1) {
		return
	}

	//取出当前区块链的最后一个区块
	prevBlock := bc.Blocks[len(bc.Blocks)-1]

	//传入区块数据和最后一个区块的hash，建新的区块
	block := NewBlock(data, prevBlock.GetHash())
	bc.Blocks = append(bc.Blocks, block)
}

我们为了简化区块链的创建过程，提供了区块链的创建函数:

func NewBlockChain() *BlockChain {
	//预先创建一个创世纪区块
	blockChain := BlockChain{Blocks: []*Block{NewGenesisBlock()}}
	return &blockChain
}

新的区块链要预先创建一个创世纪区块。

3. 运行区块链

让我们看看 MiniBC 能否正常工作：

func main() {
	//新建一条区块链，里面隐含着创建了一个创世纪区块(初始区块)
	bc := NewBlockChain()

	//添加3个区块
	bc.AddBlock("Mini block 01")
	bc.AddBlock("Mini block 02")
	bc.AddBlock("Mini block 03")

	//区块链中应该有4个区块：1个创世纪区块，还有3个添加的区块
	for _, block := range bc.Blocks {
		fmt.Println("前一区块哈希值：", BytesToHex(block.HashPrevBlock))
		fmt.Println("当前区块内容为：", string(block.Data))
		fmt.Println("当前区块哈希值：", BytesToHex(block.GetHash()))
		fmt.Println("=============================================")
	}
}  

运行后输出：

前一区块哈希值： 
当前区块内容为： Genesis Block
当前区块哈希值： 0e902e4108dfc0fb14b094ce3a130734bc5ef76f5aa58bc56a3635e031947e1e
=============================================
前一区块哈希值： 0e902e4108dfc0fb14b094ce3a130734bc5ef76f5aa58bc56a3635e031947e1e
当前区块内容为： Mini block 01
当前区块哈希值： 3a567c6151181dd88b6f1aa134e0b81151280c15d585df51898aa9fb5f37cd8b
=============================================
前一区块哈希值： 3a567c6151181dd88b6f1aa134e0b81151280c15d585df51898aa9fb5f37cd8b
当前区块内容为： Mini block 02
当前区块哈希值： c4145bc199da2d24d2b9d7390b8ae4b3cee3eb001b2dd57538b3142af8604fca
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前一区块哈希值： c4145bc199da2d24d2b9d7390b8ae4b3cee3eb001b2dd57538b3142af8604fca
当前区块内容为： Mini block 03
当前区块哈希值： 8cd906d8084fa2b2e83b4c3788d0b49dbd625e66268c3319c830282fcdaa5c05
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4. 我们实现的和将要实现的目标

我们已经构建了一个非常简单的区块链：区块链只是一个区块数组，但当前区块的 HashPrevBlock 已经指向前一个区块，可以利用这个字段实现区块的反向链接。当然实际的区块链要复杂很多。区块链的数据需要保存，我们通常存储数据，要么放在数据库里，要么放在文件中，我们 MiniBC 暂定为存放到数据库中。实际上 bitcoin 的区块数据存是放到文件里，其他信息存放到 leveldb 数据库中。下一节，我们的目标是构建一个简单的KV数据库以及持久化区块链。

源码地址：https://github.com/wangshizebin/minibc。

KV 数据库：我们接下来的任务就是实现一个极小的KV数据库，用来保存区块链数据。像比特币 bitcoin 使用了 leveldb 数据库，也有些 golang 开发的区块链采用了 BoltDB，它们都属于单机 KV 数据库。