200 行程式碼實現一個簡單的區塊鏈應用

業餘草發表於2017-04-18
行程區塊鏈
區塊鏈的基礎概念很簡單：一個分散式資料庫，儲存一個不斷加長的 list，list 中包含著許多有序的記錄。然而，在通常情況下，當我們談到區塊鏈的時候也會談起使用區塊鏈來解決的問題，這兩者很容易混淆。像流行的比特幣和以太坊這樣基於區塊鏈的專案就是這樣。“區塊鏈”這個術語通常和像交易、智慧合約、加密貨幣這樣的概念緊緊聯絡在一起。

這就令理解區塊鏈變得不必要得複雜起來，特別是當你想理解原始碼的時候。下面我將通過 200 行 JS 實現的超級簡單的區塊鏈來幫助大家理解它，我給這段程式碼起名為 NaiveChain。

塊結構

第一個邏輯步驟是決定塊結構。為了保證事情儘可能的簡單，我們只選擇最必要的部分：index（下標）、timestamp（時間戳）、data（資料）、hash（雜湊值）和 previous hash（前置雜湊值）。


這個塊中必須能找到前一個塊的雜湊值，以此來保證整條鏈的完整性。

class Block {
    constructor(index, previousHash, timestamp, data, hash) {
        this.index = index;
        this.previousHash = previousHash.toString();
        this.timestamp = timestamp;
        this.data = data;
        this.hash = hash.toString();
    }
}

塊雜湊

為了儲存完整的資料，必須雜湊區塊。SHA-256會對塊的內容進行加密，記錄這個值應該和“挖礦”毫無關係，因為這裡不需要解決工作量證明的問題。

var calculateHash = (index, previousHash, timestamp, data) => {
    return CryptoJS.SHA256(index + previousHash + timestamp + data).toString();
};

塊的生成

要生成一個塊，必須知道前一個塊的雜湊值，然後創造其餘所需的內容（= index, hash, data and timestamp）。塊的data部分是由終端使用者所提供的。

var generateNextBlock = (blockData) => {
    var previousBlock = getLatestBlock();
    var nextIndex = previousBlock.index + 1;
    var nextTimestamp = new Date().getTime() / 1000;
    var nextHash = calculateHash(nextIndex, previousBlock.hash, nextTimestamp, blockData);
    return new Block(nextIndex, previousBlock.hash, nextTimestamp, blockData, nextHash);
};

塊的儲存

記憶體中的Javascript陣列被用於儲存區塊鏈。區塊鏈的第一個塊通常被稱為“起源塊”，是硬編碼的。
var getGenesisBlock = () => {
    return new Block(0, "0", 1465154705, "my genesis block!!", "816534932c2b7154836da6afc367695e6337db8a921823784c14378abed4f7d7");
};
var blockchain = [getGenesisBlock()];

確認塊的完整性

在任何時候都必須能確認一個區塊或者一整條鏈的區塊是否完整。在我們從其他節點接收到新的區塊，並需要決定接受或拒絕它們時，這一點尤為重要。

var isValidNewBlock = (newBlock, previousBlock) => {
    if (previousBlock.index + 1 !== newBlock.index) {
        console.log('invalid index');
        return false;
    } else if (previousBlock.hash !== newBlock.previousHash) {
        console.log('invalid previoushash');
        return false;
    } else if (calculateHashForBlock(newBlock) !== newBlock.hash) {
        console.log('invalid hash: ' + calculateHashForBlock(newBlock) + ' ' + newBlock.hash);
        return false;
    }
    return true;
};

選擇最長的鏈

任何時候在鏈中都應該只有一組明確的塊。萬一衝突了（例如：兩個結點都生成了72號塊時），會選擇有最大數目的塊的鏈。


var replaceChain = (newBlocks) => {
    if (isValidChain(newBlocks) && newBlocks.length > blockchain.length) {
        console.log('Received blockchain is valid. Replacing current blockchain with received blockchain');
        blockchain = newBlocks;
        broadcast(responseLatestMsg());
    } else {
        console.log('Received blockchain invalid');
    }
};

與其他結點的通訊

結點的本質是和其他結點共享和同步區塊鏈，下面的規則能保證網路同步。

  1. 當一個結點生成一個新塊時，它會在網路上散佈這個塊。
  2. 當一個節點連線新peer時，它會查詢最新的block。
  3. 當一個結點遇到一個塊，其index大於當前所有塊的index時，它會新增這個塊到它當前的鏈中，或者到整個區塊鏈中查詢這個塊。

如圖為當節點遵循前文所述協議時會發生的一些典型通訊場景
我沒有采用自動發現peer的工具。peers的位置（URL）必須是手動新增的。

結點控制

在某種程度上使用者必須能夠控制結點。這一點通過搭建一個HTTP伺服器可以實現。
var initHttpServer = () => {
    var app = express();
    app.use(bodyParser.json());
 
    app.get('/blocks', (req, res) => res.send(JSON.stringify(blockchain)));
    app.post('/mineBlock', (req, res) => {
        var newBlock = generateNextBlock(req.body.data);
        addBlock(newBlock);
        broadcast(responseLatestMsg());
        console.log('block added: ' + JSON.stringify(newBlock));
        res.send();
    });
    app.get('/peers', (req, res) => {
        res.send(sockets.map(s => s._socket.remoteAddress + ':' + s._socket.remotePort));
    });
    app.post('/addPeer', (req, res) => {
        connectToPeers([req.body.peer]);
        res.send();
    });
    app.listen(http_port, () => console.log('Listening http on port: ' + http_port));
};
使用者可以用下面的方法和結點互動：
  1. 列出所有的塊
  2. 用使用者提供的內容建立一個新的塊
  3. 列出或者新增peers
下面這個Curl的例子就是最直接的控制結點的方法：
#get all blocks from the node
curl http://localhost:3001/blocks

體系結構

需要指出的是，節點實際上展現了兩個web伺服器：一個（HTTP伺服器）是讓使用者控制節點，另一個（Websocket HTTP伺服器）。

NaiveChain的主要組成部分

總結

創造 NaiveChain 的目的是為了示範和學習，因為它並沒有“挖礦”演算法（PoS of PoW），不能被用於公用網路，但是它實現了區塊鏈運作的基本特性。

參考資料

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