只用200行Go代码写一个自己的区块链
IrwNxz
7年前
<p>“用不到200行 Go 代码就能实现一个自己的区块链！” 听起来有意思吗？有什么能比开发一个自己的区块链更好的学习实践方法呢？那我们就一起来实践下！</p> <p> </p> <p>因为我们是一家从事医疗健康领域的科技公司，所以我们采用人类平静时的心跳数据（BPM心率）作为这篇文章中的示例数据。让我们先来统计一下你一分钟内的心跳数，然后记下来，这个数字可能会在接下来的内容中用到。<br> <br> 通过本文，你将可以做到：</p> <p> </p> <ul> <li> <p>创建自己的区块链</p> </li> <li> <p>理解 hash 函数是如何保持区块链的完整性</p> </li> <li> <p>如何创造并添加新的块</p> </li> <li> <p>多个节点如何竞争生成块</p> </li> <li> <p>通过浏览器来查看整个链</p> </li> <li> <p>所有其他关于区块链的基础知识</p> </li> </ul> <p> </p> <p>但是，对于比如工作量证明算法（PoW）以及权益证明算法（PoS）这类的共识算法文章中将不会涉及。同时为了让你更清楚得查看区块链以及块的添加，我们将网络交互的过程简化了，关于 P2P 网络比如“全网广播”这个过程等内容将在下一篇文章中补上。</p> <p> </p> <h2><strong>让我们开始吧！</strong></h2> <h3> </h3> <h3><strong>设置</strong></h3> <p> </p> <p>我们假设你已经具备一点 Go 语言的开发经验。在安装和配置 Go 开发环境后之后，我们还要获取以下一些依赖：</p> <pre> <code class="language-go">go get github.com/davecgh/go-spew/spew</code></pre> <p>spew 可以帮助我们在 console 中直接查看 struct 和 slice 这两种数据结构。</p> <p> </p> <pre> <code class="language-go">go get github.com/gorilla/mux</code></pre> <p>Gorilla 的 mux 包非常流行， 我们用它来写 web handler。</p> <p> </p> <pre> <code class="language-go">go get github.com/joho/godotenv</code></pre> <p>godotenv 可以帮助我们读取项目根目录中的 .env 配置文件，这样我们就不用将 http port 之类的配置硬编码进代码中了。比如像这样：</p> <pre> <code class="language-go">ADDR=8080</code></pre> <p> </p> <p>接下来，我们创建一个 main.go 文件。之后我们的大部分工作都围绕这个文件，让我开始编码吧！</p> <h3> </h3> <h3><strong>导入依赖</strong></h3> <p> </p> <p>我们将所有的依赖包以声明的方式导入进去：</p> <pre> <code class="language-go">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" )</code></pre> <h3> </h3> <h3><strong>数据模型</strong></h3> <p> </p> <p>接着我们来定义一个结构体，它代表组成区块链的每一个块的数据模型：</p> <pre> <code class="language-go">type Block struct { Index int Timestamp string BPM int Hash string PrevHash string }</code></pre> <ul> <li> <p>Index 是这个块在整个链中的位置</p> </li> <li> <p>Timestamp 显而易见就是块生成时的时间戳</p> </li> <li> <p>Hash 是这个块通过 SHA256 算法生成的散列值</p> </li> <li> <p>PrevHash 代表前一个块的 SHA256 散列值</p> </li> <li> <p>BPM 每分钟心跳数，也就是心率。还记得文章开头说到的吗？</p> </li> </ul> <p> </p> <p>接着，我们再定义一个结构表示整个链，最简单的表示形式就是一个 Block 的 slice：</p> <pre> <code class="language-go">var Blockchain []Block</code></pre> <p> </p> <p>我们使用散列算法（SHA256）来确定和维护链中块和块正确的顺序，确保每一个块的 PrevHash 值等于前一个块中的 Hash 值，这样就以正确的块顺序构建出链：</p> <p><img alt="只用200行Go代码写一个自己的区块链" src="https://simg.open-open.com/show/79cee385621b2a6d4a357859fc68544b.png"></p> <p> </p> <h3><strong>散列和生成块</strong></h3> <p> </p> <p>我们为什么需要散列？主要是两个原因：</p> <ul> <li> <p>在节省空间的前提下去唯一标识数据。散列是用整个块的数据计算得出，在我们的例子中，将整个块的数据通过 SHA256 计算成一个定长不可伪造的字符串。</p> </li> <li> <p>维持链的完整性。通过存储前一个块的散列值，我们就能够确保每个块在链中的正确顺序。任何对数据的篡改都将改变散列值，同时也就破坏了链。以我们从事的医疗健康领域为例，比如有一个恶意的第三方为了调整“人寿险”的价格，而修改了一个或若干个块中的代表不健康的 BPM 值，那么整个链都变得不可信了。</p> </li> </ul> <p> </p> <p>我们接着写一个函数，用来计算给定的数据的 SHA256 散列值：</p> <pre> <code class="language-go">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) }</code></pre> <p> </p> <p>这个 calculateHash 函数接受一个块，通过块中的 Index，Timestamp，BPM，以及 PrevHash 值来计算出 SHA256 散列值。接下来我们就能便携一个生成块的函数：</p> <pre> <code class="language-go">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 }</code></pre> <p> </p> <p>其中，Index 是从给定的前一块的 Index 递增得出，时间戳是直接通过 time.Now() 函数来获得的，Hash 值通过前面的 calculateHash 函数计算得出，PrevHash 则是给定的前一个块的 Hash 值。</p> <p> </p> <h3><strong>校验块</strong></h3> <p> </p> <p>搞定了块的生成，接下来我们需要有函数帮我们判断一个块是否有被篡改。检查 Index 来看这个块是否正确得递增，检查 PrevHash 与前一个块的 Hash 是否一致，再来通过 calculateHash 检查当前块的 Hash 值是否正确。通过这几步我们就能写出一个校验函数：</p> <pre> <code class="language-go">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 }</code></pre> <p> </p> <p>除了校验块以外，我们还会遇到一个问题：两个节点都生成块并添加到各自的链上，那我们应该以谁为准？这里的细节我们留到下一篇文章，这里先让我们记住一个原则：始终选择最长的链。</p> <p><img alt="只用200行Go代码写一个自己的区块链" src="https://simg.open-open.com/show/a89443a1acc29c2078443ebdf04d6b1b.png"></p> <p> </p> <p>通常来说，更长的链表示它的数据（状态）是更新的，所以我们需要一个函数</p> <p>能帮我们将本地的过期的链切换成最新的链：</p> <pre> <code class="language-go">func replaceChain(newBlocks []Block) { if len(newBlocks) > len(Blockchain) { Blockchain = newBlocks } }</code></pre> <p> </p> <p> </p> <p>到这一步，我们基本就把所有重要的函数完成了。接下来，我们需要一个方便直观的方式来查看我们的链，包括数据及状态。通过浏览器查看 web 页面可能是最合适的方式！</p> <h3> </h3> <h3><strong>Web 服务</strong></h3> <p>我猜你一定对传统的 web 服务及开发非常熟悉，所以这部分你肯定一看就会。<br> 借助 Gorilla/mux 包，我们先写一个函数来初始化我们的 web 服务：</p> <pre> <code class="language-go">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 }</code></pre> <p> </p> <p>其中的端口号是通过前面提到的 .env 来获得，再添加一些基本的配置参数，这个 web 服务就已经可以 listen and serve 了！<br> 接下来我们再来定义不同 endpoint 以及对应的 handler。例如，对“/”的 GET 请求我们可以查看整个链，“/”的 POST 请求可以创建块。</p> <pre> <code class="language-go">func makeMuxRouter() http.Handler { muxRouter := mux.NewRouter() muxRouter.HandleFunc("/", handleGetBlockchain).Methods("GET") muxRouter.HandleFunc("/", handleWriteBlock).Methods("POST") return muxRouter }</code></pre> <p> </p> <p>GET 请求的 handler：</p> <pre> <code class="language-go">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)) }</code></pre> <p> </p> <p>为了简化，我们直接以 JSON 格式返回整个链，你可以在浏览器中访问 localhost:8080 或者 127.0.0.1:8080 来查看（这里的8080就是你在 .env 中定义的端口号 ADDR）。<br> <br> POST 请求的 handler 稍微有些复杂，我们先来定义一下 POST 请求的 payload：</p> <pre> <code class="language-go">type Message struct { BPM int }</code></pre> <p> </p> <p>再看看 handler 的实现：</p> <pre> <code class="language-go">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) }</code></pre> <p> </p> <p>我们的 POST 请求体中可以使用上面定义的 payload，比如：</p> <pre> <code class="language-go">{"BPM":75}</code></pre> <p> </p> <p>还记得前面我们写的 generateBlock 这个函数吗？它接受一个“前一个块”参数，和一个 BPM 值。POST handler 接受请求后就能获得请求体中的 BPM 值，接着借助生成块的函数以及校验块的函数就能生成一个新的块了！<br> <br> 除此之外，你也可以：</p> <ul> <li> <p>使用spew.Dump 这个函数可以以非常美观和方便阅读的方式将 struct、slice 等数据打印在控制台里，方便我们调试。</p> </li> <li> <p>测试 POST 请求时，可以使用 POSTMAN 这个 chrome 插件，相比 curl它更直观和方便。</p> </li> </ul> <p> </p> <p>POST 请求处理完之后，无论创建块成功与否，我们需要返回客户端一个响应：</p> <pre> <code class="language-go">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) }</code></pre> <h3> </h3> <h3><strong>快要大功告成了</strong></h3> <p> </p> <p>接下来，我们把这些关于区块链的函数，web 服务的函数“组装”起来：</p> <pre> <code class="language-go">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()) }</code></pre> <p> </p> <p>这里的 genesisBlock （创世块）是 main 函数中最重要的部分，通过它来初始化区块链，毕竟第一个块的 PrevHash 是空的。</p> <p> </p> <p> </p> <h2><strong>哦耶！完成了</strong></h2> <p> </p> <p>你们可以从这里获得完整的代码：Github repo[1]<br> 让我们来启动它：</p> <pre> <code class="language-go">go run main.go</code></pre> <p> </p> <p>在终端中，我们可以看到 web 服务器启动的日志信息，并且打印出了创世块的信息：</p> <p><img alt="只用200行Go代码写一个自己的区块链" src="https://simg.open-open.com/show/93e2522658aff8669d0663905a619bb1.jpg"></p> <p> </p> <p>接着我们打开浏览器，访问 localhost:8080 这个地址，我们可以看到页面中展示了当前整个区块链的信息（当然，目前只有一个创世块）：</p> <p><img alt="只用200行Go代码写一个自己的区块链" src="https://simg.open-open.com/show/6eff99620cf505f432267838c9cf78e6.png"></p> <p> </p> <p>接着，我们再通过 POSTMAN 来发送一些 POST 请求：</p> <p><img alt="只用200行Go代码写一个自己的区块链" src="https://simg.open-open.com/show/67b8b67990337d9105750c07a2430c01.png"></p> <p> </p> <p>刷新刚才的页面，现在的链中多了一些块，正是我们刚才生成的，同时你们可以看到，块的顺序和散列值都正确。</p> <p><img alt="只用200行Go代码写一个自己的区块链" src="https://simg.open-open.com/show/45d36e1c7531f4c4352aa22987553ecc.jpg"></p> <h2><strong>下一步</strong></h2> <p> </p> <p>刚刚我们完成了一个自己的区块链，虽然很简单（陋），但它具备块生成、散列计算、块校验等基本能力。接下来你就可以继续深入的学习区块链的其他重要知识，比如工作量证明、权益证明这样的共识算法，或者是智能合约、Dapp、侧链等等。<br> <br> 目前这个实现中不包括任何 P2P 网络的内容，我们会在下一篇文章中补充这部分内容，当然，我们鼓励你在这个基础上自己实践一遍！</p> <p>来自：https://studygolang.com/articles/12313</p>