go開發一個自己的區塊鏈只需180行程式碼

jimi2018發表於2018-05-18
Go區塊鏈行程

區塊鏈開發用什麼語言？通過本文你將使用Go語言開發自己的區塊鏈(或者說用go語言搭建區塊鏈)、理解雜湊函式是如何保持區塊鏈的完整性、掌握如何用Go語言程式設計創造並新增新的塊、實現多個節點通過競爭生成塊、通過瀏覽器來檢視整個鏈、瞭解所有其他關於區塊鏈的基礎知識。

但是，文章中將不會涉及工作量證明演算法（PoW）以及權益證明演算法（PoS）這類的共識演算法，同時為了讓你更清楚得檢視區塊鏈以及塊的新增，我們將網路互動的過程簡化了，關於 P2P 網路比如“全網廣播”這個過程等內容將在後續文章中補上。

開發環境

我們假設你已經具備一點 Go 語言的開發經驗。在安裝和配置 Go 開發環境後之後，我們還要獲取以下一些依賴：

~$ go get github.com/davecgh/go-spew/spew

spew可以幫助我們在終端中中直接檢視 struct 和 slice 這兩種資料結構。

~$ go get github.com/gorilla/mux

Gorilla 的 mux 包非常流行， 我們用它來寫 web handler。

~$ go get github.com/joho/godotenv

godotenv可以幫助我們讀取專案根目錄中的.env 配置檔案，這樣就不用將 http埠之類的配置硬編碼進程式碼中了。比如像這樣：

ADDR=8080

接下來，我們建立一個 main.go 檔案。之後的大部分工作都圍繞這個檔案，開始寫程式碼吧！

匯入依賴包

我們將所有的依賴包以宣告的方式匯入進去：

package main

import (
    "crypto/sha256"
    "encoding/hex"
    "encoding/json"
    "io"
    "log"
    "net/http"
    "os"
    "time"

    "github.com/davecgh/go-spew/spew"
    "github.com/gorilla/mux"
    "github.com/joho/godotenv"
)

資料模型

接著我們來定義一個結構體，它代表組成區塊鏈的每一個塊的資料模型：

type Block struct {
    Index     int
    Timestamp string
    BPM       int
    Hash      string
    PrevHash  string
}
  • Index 是這個塊在整個鏈中的位置
  • Timestamp 顯而易見就是塊生成時的時間戳
  • Hash 是這個塊通過 SHA256 演算法生成的雜湊值
  • PrevHash 代表前一個塊的 SHA256 雜湊值
  • BPM 每分鐘心跳數，也就是心率

接著，我們再定義一個結構表示整個鏈，最簡單的表示形式就是一個 Block 的 slice：

var Blockchain []Block

我們使用雜湊演算法（SHA256）來確定和維護鏈中塊和塊正確的順序，確保每一個塊的 PrevHash 值等於前一個塊中的 Hash 值，這樣就以正確的塊順序構建出鏈：

Go語言開發區塊鏈

雜湊和生成新塊

我們為什麼需要雜湊？主要是兩個原因：

  • 在節省空間的前提下去唯一標識資料。雜湊是用整個塊的資料計算得出，在我們的例子中，將整個塊的資料通過 SHA256 計算成一個定長不可偽造的字串。
  • 維持鏈的完整性。通過儲存前一個塊的雜湊值，我們就能夠確保每個塊在鏈中的正確順序。任何對資料的篡改都將改變雜湊值，同時也就破壞了鏈。以我們從事的醫療健康領域為例，比如有一個惡意的第三方為了調整“人壽險”的價格，而修改了一個或若干個塊中的代表不健康的 BPM 值，那麼整個鏈都變得不可信了。

我們接著寫一個函式，用來計算給定的資料的 SHA256 雜湊值：

func calculateHash(block Block) string {
    record := string(block.Index) + block.Timestamp + string(block.BPM) + block.PrevHash
    h := sha256.New()
    h.Write([]byte(record))
    hashed := h.Sum(nil)
    return hex.EncodeToString(hashed)
}

這個 calculateHash 函式接受一個塊，通過塊中的 Index，Timestamp，BPM，以及 PrevHash 值來計算出 SHA256 雜湊值。接下來我們就能編寫一個生成塊的函式：

func generateBlock(oldBlock Block, BPM int) (Block, error) {
    var newBlock Block

    t := time.Now()
    newBlock.Index = oldBlock.Index + 1
    newBlock.Timestamp = t.String()
    newBlock.BPM = BPM
    newBlock.PrevHash = oldBlock.Hash
    newBlock.Hash = calculateHash(newBlock)

    return newBlock, nil
}

其中，Index 是從給定的前一塊的 Index 遞增得出，時間戳是直接通過 time.Now() 函式來獲得的，Hash 值通過前面的 calculateHash 函式計算得出，PrevHash 則是給定的前一個塊的 Hash 值。

校驗塊

搞定了塊的生成，接下來我們需要有函式幫我們判斷一個塊是否有被篡改。檢查 Index 來看這個塊是否正確得遞增，檢查 PrevHash 與前一個塊的 Hash 是否一致，再來通過 calculateHash 檢查當前塊的 Hash 值是否正確。通過這幾步我們就能寫出一個校驗函式：

func isBlockValid(newBlock, oldBlock Block) bool {
    if oldBlock.Index+1 != newBlock.Index {
        return false
    }
    if oldBlock.Hash != newBlock.PrevHash {
        return false
    }
    if calculateHash(newBlock) != newBlock.Hash {
        return false
    }
    return true
}

除了校驗塊以外，我們還會遇到一個問題：兩個節點都生成塊並新增到各自的鏈上，那我們應該以誰為準？這裡的細節我們留到下一篇文章， 這裡先讓我們記住一個原則：始終選擇最長的鏈：

go語言開發區塊鏈

通常來說，更長的連結串列示它的資料（狀態）是更新的，所以我們需要一個函式能幫我們將本地的過期的鏈切換成最新的鏈：

func replaceChain(newBlocks []Block) {
    if len(newBlocks) > len(Blockchain) {
        Blockchain = newBlocks
    }
}

到這一步，我們基本就把所有重要的函式完成了。接下來，我們需要一個方便直觀的方式來檢視我們的鏈，包括資料及狀態。通過瀏覽器檢視 web 頁面可能是最合適的方式！

Web 服務

我猜你一定對傳統的 web 服務及開發非常熟悉，所以這部分你肯定一看就會。

藉助 Gorilla/mux 包，我們先寫一個函式來初始化我們的 web 服務：

func run() error {
    mux := makeMuxRouter()
    httpAddr := os.Getenv("ADDR")
    log.Println("Listening on ", os.Getenv("ADDR"))
    s := &http.Server{
        Addr:           ":" + httpAddr,
        Handler:        mux,
        ReadTimeout:    10 * time.Second,
        WriteTimeout:   10 * time.Second,
        MaxHeaderBytes: 1 << 20,
    }

    if err := s.ListenAndServe(); err != nil {
        return err
    }

    return nil
}

其中的埠號是通過前面提到的 .env 來獲得，再新增一些基本的配置引數，這個 web 服務就已經可以 listen and serve 了！

接下來我們再來定義不同 endpoint 以及對應的 handler。例如，對“/”的 GET 請求我們可以檢視整個鏈，“/”的 POST 請求可以建立塊。

func makeMuxRouter() http.Handler {
    muxRouter := mux.NewRouter()
    muxRouter.HandleFunc("/", handleGetBlockchain).Methods("GET")
    muxRouter.HandleFunc("/", handleWriteBlock).Methods("POST")
    return muxRouter
}

GET 請求的 handler：

func handleGetBlockchain(w http.ResponseWriter, r *http.Request) {
    bytes, err := json.MarshalIndent(Blockchain, "", "  ")
    if err != nil {
        http.Error(w, err.Error(), http.StatusInternalServerError)
        return
    }
    io.WriteString(w, string(bytes))
}

為了簡化，我們直接以 JSON 格式返回整個鏈，你可以在瀏覽器中訪問 localhost:8080 或者 127.0.0.1:8080 來檢視（這裡的8080就是你在 .env 中定義的埠號 ADDR）。

POST 請求的 handler 稍微有些複雜，我們先來定義一下 POST 請求的 payload：

type Message struct {
    BPM int
}

再看看 handler 的實現：

func handleWriteBlock(w http.ResponseWriter, r *http.Request) {
    var m Message

    decoder := json.NewDecoder(r.Body)
    if err := decoder.Decode(&m); err != nil {
        respondWithJSON(w, r, http.StatusBadRequest, r.Body)
        return
    }
    defer r.Body.Close()

    newBlock, err := generateBlock(Blockchain[len(Blockchain)-1], m.BPM)
    if err != nil {
        respondWithJSON(w, r, http.StatusInternalServerError, m)
        return
    }
    if isBlockValid(newBlock, Blockchain[len(Blockchain)-1]) {
        newBlockchain := append(Blockchain, newBlock)
        replaceChain(newBlockchain)
        spew.Dump(Blockchain)
    }

    respondWithJSON(w, r, http.StatusCreated, newBlock)

}

我們的 POST 請求體中可以使用上面定義的 payload，比如：

{"BPM":75}

還記得前面我們寫的 generateBlock 這個函式嗎？它接受一個“前一個塊”引數，和一個 BPM 值。POST handler 接受請求後就能獲得請求體中的 BPM 值，接著藉助生成塊的函式以及校驗塊的函式就能生成一個新的塊了！

除此之外，你也可以：

  • 使用spew.Dump 這個函式可以以非常美觀和方便閱讀的方式將 struct、slice 等資料列印在控制檯裡，方便我們除錯。
  • 測試 POST 請求時，可以使用 POSTMAN 這個 chrome 外掛，相比 curl它更直觀和方便。

POST 請求處理完之後，無論建立塊成功與否，我們需要返回客戶端一個響應：

func respondWithJSON(w http.ResponseWriter, r *http.Request, code int, payload interface{}) {
    response, err := json.MarshalIndent(payload, "", "  ")
    if err != nil {
        w.WriteHeader(http.StatusInternalServerError)
        w.Write([]byte("HTTP 500: Internal Server Error"))
        return
    }
    w.WriteHeader(code)
    w.Write(response)
}

快要大功告成了。

接下來，我們把這些關於區塊鏈的函式，web 服務的函式“組裝”起來：

func main() {
    err := godotenv.Load()
    if err != nil {
        log.Fatal(err)
    }

    go func() {
        t := time.Now()
        genesisBlock := Block{0, t.String(), 0, "", ""}
        spew.Dump(genesisBlock)
        Blockchain = append(Blockchain, genesisBlock)
    }()
    log.Fatal(run())
}

這裡的 genesisBlock （創世塊）是 main 函式中最重要的部分，通過它來初始化區塊鏈，畢竟第一個塊的 PrevHash 是空的。

哦耶！完成了

可以從這裡獲得完整的程式碼：Github repo

讓我們來啟動它：

~$ go run main.go

在終端中，我們可以看到 web 伺服器啟動的日誌資訊，並且列印出了創世塊的資訊：

go語言開發區塊鏈

接著我們開啟瀏覽器，訪問 localhost:8080 這個地址，我們可以看到頁面中展示了當前整個區塊鏈的資訊（當然，目前只有一個創世塊）：

go語言開發區塊鏈

接著，我們再通過 POSTMAN 來傳送一些 POST 請求：

go語言開發區塊鏈

重新整理剛才的頁面，現在的鏈中多了一些塊，正是我們剛才生成的，同時你們可以看到，塊的順序和雜湊值都正確。

go語言開發區塊鏈

總結

剛剛我們完成了一個自己的區塊鏈，雖然很簡單（陋），但它具備塊生成、雜湊計算、塊校驗等基本能力。接下來你就可以繼續深入的學習 區塊鏈的其他重要知識，比如工作量證明、權益證明這樣的共識演算法，或者是智慧合約、Dapp、側鏈等等。

目前這個實現中不包括任何 P2P 網路的內容，我們會在下一篇文章中補充這部分內容，當然，我們鼓勵你在這個基礎上自己實踐一遍！

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原文：Code your own blockchain in less than 200 lines of Go!

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