第一章:最小可行区块链

  • 概览
  • 区块数据结构
  • 区块哈希
  • 创世块
  • 创建区块
  • 保存区块链
  • 验证区块完整性
  • 选择最长链
  • 节点间通信
  • 操作节点
  • 架构
  • 运行测试
  • 小结

概览

区块链的基础概念非常简单, 说白了就是一个维护着一个持续增长的有序数据记录列表的这么一个分布式数据库。在此章节中我们将实现一个简单的玩具版的区块链。此章节结束时，我们的区块链将实现以下功能：

  • 实现区块和区块链结构定义
  • 实现可以将包含任意数据的新区块写入到区块链的方法
  • 实现可以与其他节点进行点到点沟通和同步区块链数据的运行节点
  • 操作单个运行节点的简单HTTP(Restful) API

区块数据结构

我们首先会从区块数据结构的定义开始。在当前阶段，简单起见，我们只会给每个区块定义最关键的属性。

  • index: 区块在区块链中的高度(即序号)，因为每加一个区块，该index就会加1，所以币圈将其称之为高度。
  • data: 任何需要包括在此区块中的数据。本章节中可以是任何数据，到后面章节我们会用来记账用。
  • timestamp: 时间戳。本章节中也是可以是任何数据，往后我们需要保证这个字段是正确的时间戳数据，用来防止攻击等用。
  • hash: 根据区块内容计算的哈希值(SHA256)。
  • previousHash: 前一个区块的哈希值。通过这个属性，我们能很方便回溯前面的区块。

image

相应代码大致如下:


class Block {public index: number;public hash: string;public previousHash: string;public timestamp: number;public data: string;constructor(index: number, hash: string, previousHash: string, timestamp: number, data: string) {this.index = index;this.previousHash = previousHash;this.timestamp = timestamp;this.data = data;this.hash = hash;}
}

区块哈希

区块哈希值是区块中最重要的属性之一。哈希值根据区块中的所有数据计算而得，这意味着如果区块中任何数据发生变化，原有的哈希值就不再有效。区块哈希值也能被看成区块的唯一性标识。比如说，两个人同时挖矿成功，那就有可能出现两个高度一致的区块，但是因为要通过其他属性值一起算哈希(往后我们会看到data属性会存放交易数据，交易数据，特别是id，肯定不能重复)，所以绝对不会出现一样的哈希值。
根据以下的代码来计算哈希值：

const calculateHash = (index: number, previousHash: string, timestamp: number, data: string): string =>CryptoJS.SHA256(index + previousHash + timestamp + data).toString();

需要注意的是，在这个阶段，区块的哈希值与挖矿没有任何关系，因为还未有 POW（工作量证明） 问题需要解决。我们使用区块哈希值来保证区块的完整性，同时也使用它来回溯前一个区块。

由以上对 hash 和 previousHash 属性的处理机制，很容易得出区块链的一个重要特性：区块的内容不能被修改，除非同时修改它后续的所有区块内容。

以下的例子描述了这个特性。如果将第44区块的数据从“DESERT”修改成“STREET”，所有后续区块的哈希值也必须被修改。这是由于区块的哈希值是通过对区块的内容计算哈希得到的，而内容中包含了 previousHash 这个代表了前一个区块的哈希的值。

image

这个特性在我们后面章节中引入的工作量证明机制来说尤其重要。一个区块在区块链中的位置越深(即越靠前)，要修改它的难度就越大，因为需要同时修改它本身以及它后续的所有区块。

创世块

创世块是区块链中的第一个区块。它是唯一一个没有 previousHash 的区块，因为这个区块比较特别，我们在代码里会将创世区块进行硬编码处理：


const genesisBlock: Block = new Block(0, '816534932c2b7154836da6afc367695e6337db8a921823784c14378abed4f7d7', null, 1465154705, 'my genesis block!!'
);

创建区块

创建一个新的区块，需要获得上一个区块的哈希值，并创建其他必须的内容（ index, hash, data 和 timestamp)。区块的数据（data字段）由用户提供，其他的参数使用以下代码生成：


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

保存区块链

目前我们使用 JavaScript 的数组，将区块链保存在程序的运行内存中。这意味着当一个运行节点停止时，该节点上的区块链数据不会被持久化。

const blockchain: Block[] = [genesisBlock];

验证区块完整性

为确保数据完整性，我们应想办法做到可随时对一个区块，或者一条区块链上的区块进行有效性验证。特别是当我们的节点从其他运行节点中接收到广播过来的新区块时，我们就需要验证区块的有效性，以便决定是否接受这些区块。

验证区块的有效性，需要满足以下所有条件：

  • 区块的 index 需要比上一个区块大1；
  • 区块的 previousHash 属性需要与上一个区块的 hash 属性一致；
  • 区块自身的 hash 值需要有效。

以下代码描述了整个验证过程：


const isValidNewBlock = (newBlock: Block, previousBlock: Block) => {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(typeof (newBlock.hash) + ' ' + typeof calculateHashForBlock(newBlock));console.log('invalid hash: ' + calculateHashForBlock(newBlock) + ' ' + newBlock.hash);return false;}return true;
};

同时我们还必须验证该区块的结构是否正确，以避免其他节点广播过来的带有不正确格式的数据导致程序崩溃。

const isValidBlockStructure = (block: Block): boolean => {return typeof block.index === 'number'&& typeof block.hash === 'string'&& typeof block.previousHash === 'string'&& typeof block.timestamp === 'number'&& typeof block.data === 'string';
};

既然我们现在能够验证单个区块的有效性，我们就可以进一步的对整个区块链进行有效性验证了。首先验证链中的第一个区块为创世区块。然后，我们使用以上的方式来依次校验链中的下一个区块，以下为实现代码:

const isValidChain = (blockchainToValidate: Block[]): boolean => {const isValidGenesis = (block: Block): boolean => {return JSON.stringify(block) === JSON.stringify(genesisBlock);};if (!isValidGenesis(blockchainToValidate[0])) {return false;}for (let i = 1; i < blockchainToValidate.length; i++) {if (!isValidNewBlock(blockchainToValidate[i], blockchainToValidate[i - 1])) {return false;}}return true;
};

选择最长链

在任何时候，在区块链系统中都应该只存在一条正确的链，但冲突还是在所难免的，我们需要有一个大家都认同的共识机制来确保冲突得以解决。在冲突发生的情况下(比如：主链在71这个块的时候发生分叉，然后我紧邻的节点在某一条链的基础上挖出了第73个块），则从中选择包含更长区块的链(比如我的节点启动时会和其他节点请求区块链状态，发现有最后块为72和73的两条链，那么我们的节点将会在73这个链的基础上继续贡献资源进行挖矿)。在以下的例子中，由于被更长的区块链复写，第72区块: a350235b00 中的数据将不会被包括在区块链中。

image

代码实现如下：

const replaceChain = (newBlocks: Block[]) => {if (isValidChain(newBlocks)&& newBlocks.length > getBlockchain().length) {console.log('Received blockchain is valid. Replacing current blockchain with received blockchain');blockchain = newBlocks;broadcastLatest();} else {console.log('Received blockchain invalid');}
};

节点间通信

每个运行节点都必须能和其他节点广播和同步区块链数据。我们通过以下规则保证节点间能正确有效的同步：

  • 当一个节点生成新区块时，该节点会将此区块广播至区块链网络中
  • 当一个节点和另外一个节点建立点对点连接时，该节点将会向另一个节点请求最新的区块链信息
  • 当一个节点发现从其他节点过来的一个区块的 index 比该节点中保留的区块链的最后一个区块的 index 大，根据两个index之间相差的大小，该节点会有两个选择：如果只相差1，则将此区块加到自身的区块链中； 如果超过1，则需要向其他节点请求整条区块链。

image

我们将会使用 WebSocket 技术来实现各个节点的点对点通信。各个节点的 socket 列表将保存在 const sockets: WebSocket[] 变量中。我们并没有实现节点发现机制，所以新增加一个节点后，需要手动添加需要建立点对点连接的目标节点的地址。

操作节点

用户需能够以某种方式来操作节点。我们将通过实现相应的http服务端接口来提供相应功能。

const initHttpServer = ( myHttpPort: number ) => {const app = express();app.use(bodyParser.json());app.get('/blocks', (req, res) => {res.send(getBlockchain());});app.post('/mineBlock', (req, res) => {const newBlock: Block = generateNextBlock(req.body.data);res.send(newBlock);});app.get('/peers', (req, res) => {res.send(getSockets().map(( s: any ) => s._socket.remoteAddress + ':' + s._socket.remotePort));});app.post('/addPeer', (req, res) => {connectToPeers(req.body.peer);res.send();});app.listen(myHttpPort, () => {console.log('Listening http on port: ' + myHttpPort);});
};

根据以上代码暴露出来的HTTP接口，用户可以发送请求到节点进行以下操作：

  • 列出所有区块
  • 由用户指定相应内容来创建一个新区块
  • 列出连接过来的节点的地址
  • 通过websocket url连接到指定节点

您可以通过Curl工具来对节点进行操作，当然您也可以通过postman等工具来操作：


#get all blocks from the node
> curl http://localhost:3001/blocks

架构

每个节点都对外暴露两个web 服务: 一个是用户来给用户对节点进行操作(HTTP Server)，一个是用来实现节点间的点对点通信(Websocket HTTP server)。

image

运行测试

安装

npm install

运行

打开一个终端运行节点1. 节点1的http服务端端口为3001， p2p端口为6001。

npm run node1

建议打开另外一个终端运行节点2，以便能通过输出查看两个区块链节点是怎么通信的。 节点1的http服务端端口为3002， p2p端口为6002。

npm run node2

ps： 节点2运行后，即可以通过addPeer这个api和节点1进行websocket连接。

生成一个区块

curl -H "Content-type:application/json" --data '{"data" : "Some data to the first block"}' http://localhost:3001/mineBlock

返回结果示例:

{"index": 1,"previousHash": "816534932c2b7154836da6afc367695e6337db8a921823784c14378abed4f7d7","timestamp": 1561025398.834,"data": "Some data to the first block","hash": "979335f8383fa058c0abf5d342a232d345de51ea644756d3522eca5637e97a17"
}

获取区块链

curl http://localhost:3001/blocks

返回示例:

[
{
"index": 0,
"previousHash": "",
"timestamp": 1465154705,
"data": "my genesis block!!",
"hash": "816534932c2b7154836da6afc367695e6337db8a921823784c14378abed4f7d7"
},
{
"index": 1,
"previousHash": "816534932c2b7154836da6afc367695e6337db8a921823784c14378abed4f7d7",
"timestamp": 1561025398.834,
"data": "Some data to the first block",
"hash": "979335f8383fa058c0abf5d342a232d345de51ea644756d3522eca5637e97a17"
}
]

连接到一个节点

curl -H "Content-type:application/json" --data '{"peer" : "ws://localhost:6001"}' http://localhost:3002/addPeer

查询连接的节点列表

curl http://localhost:3001/peers

返回示例：

["::ffff:127.0.0.1:54261"]

小结

到现在为止，我们实现了一个简单的玩具版的区块链。此外，本章节还为我们展示了如何用简单扼要的方法来实现区块链的一些基本原理。下一章节中我们将为naivecoin 加入工作量证明机制。

本章节的代码请查看这里

第二章

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