# 基本原型

## 引言

区块链是 21 世纪最具革命性的技术之一，它仍然处于不断成长的阶段，而且还有很多潜力尚未显现。 本质上，区块链只是一个分布式数据库而已。 不过，使它独一无二的是，区块链是一个**公开**的数据库，而不是一个私人数据库，也就是说，每个使用它的人都有一个完整或部分的副本。 只有经过其他“数据库管理员”的同意，才能向数据库中添加新的记录。 此外，也正是由于区块链，才使得加密货币和智能合约成为现实。

在本系列文章中，我们将实现一个简化版的区块链，并基于它来构建一个简化版的加密货币。

## 区块

首先从 “区块” 谈起。在区块链中，真正存储有效信息的是区块（block）。而在比特币中，真正有价值的信息就是交易（transaction）。实际上，交易信息是所有加密货币的价值所在。除此以外，区块还包含了一些技术实现的相关信息，比如版本，当前时间戳和前一个区块的哈希。

不过，我们要实现的是一个简化版的区块链，而不是一个像比特币技术规范所描述那样成熟完备的区块链。所以在我们目前的实现中，区块仅包含了部分关键信息，它的数据结构如下：

```go
type Block struct {
    Timestamp     int64
    Data          []byte
    PrevBlockHash []byte
    Hash          []byte
}
```

| 字段              | 解释                |
| --------------- | ----------------- |
| `Timestamp`     | 当前时间戳，也就是区块创建的时间  |
| `PrevBlockHash` | 前一个块的哈希，即父哈希      |
| `Hash`          | 当前块的哈希            |
| `Data`          | 区块存储的实际有效信息，也就是交易 |

我们这里的 `Timestamp`，`PrevBlockHash`, `Hash`，在比特币技术规范中属于区块头（block header），区块头是一个单独的数据结构。 完整的 [比特币的区块头（block header）结构](https://en.bitcoin.it/wiki/Block_hashing_algorithm) 如下：

| Field          | Purpose                                                    | Updated when...                                         | Size (Bytes) |
| -------------- | ---------------------------------------------------------- | ------------------------------------------------------- | ------------ |
| Version        | Block version number                                       | You upgrade the software and it specifies a new version | 4            |
| hashPrevBlock  | 256-bit hash of the previous block header                  | A new block comes in                                    | 32           |
| hashMerkleRoot | 256-bit hash based on all of the transactions in the block | A transaction is accepted                               | 32           |
| Time           | Current timestamp as seconds since 1970-01-01T00:00 UTC    | Every few seconds                                       | 4            |
| Bits           | Current target in compact format                           | The difficulty is adjusted                              | 4            |
| Nonce          | 32-bit number (starts at 0)                                | A hash is tried (increments)                            | 4            |

下面是比特币的 golang 实现 btcd 的 [BlockHeader](https://github.com/btcsuite/btcd/blob/01f26a142be8a55b06db04da906163cd9c31be2b/wire/blockheader.go#L20-L41) 定义:

```go
// BlockHeader defines information about a block and is used in the bitcoin
// block (MsgBlock) and headers (MsgHeaders) messages.
type BlockHeader struct {
    // Version of the block.  This is not the same as the protocol version.
    Version int32

    // Hash of the previous block in the block chain.
    PrevBlock chainhash.Hash

    // Merkle tree reference to hash of all transactions for the block.
    MerkleRoot chainhash.Hash

    // Time the block was created.  This is, unfortunately, encoded as a
    // uint32 on the wire and therefore is limited to 2106.
    Timestamp time.Time

    // Difficulty target for the block.
    Bits uint32

    // Nonce used to generate the block.
    Nonce uint32
}
```

而我们的 `Data`, 在比特币中对应的是交易，是另一个单独的数据结构。为了简便起见，目前将这两个数据结构放在了一起。在真正的比特币中，[区块](https://en.bitcoin.it/wiki/Block#Block_structure) 的数据结构如下：

| Field               | Description                                  | Size               |
| ------------------- | -------------------------------------------- | ------------------ |
| Magic no            | value always 0xD9B4BEF9                      | 4 bytes            |
| Blocksize           | number of bytes following up to end of block | 4 bytes            |
| Blockheader         | consists of 6 items                          | 80 bytes           |
| Transaction counter | positive integer VI = VarInt                 | 1 - 9 bytes        |
| transactions        | the (non empty) list of transactions         | -many transactions |

在我们的简化版区块中，还有一个 `Hash` 字段，那么，要如何计算哈希呢？哈希计算，是区块链一个非常重要的部分。正是由于它，才保证了区块链的安全。计算一个哈希，是在计算上非常困难的一个操作。即使在高速电脑上，也要耗费很多时间 (这就是为什么人们会购买 GPU，FPGA，ASIC 来挖比特币) 。这是一个架构上有意为之的设计，它故意使得加入新的区块十分困难，继而保证区块一旦被加入以后，就很难再进行修改。在接下来的内容中，我们将会讨论和实现这个机制。

目前，我们仅取了 `Block` 结构的部分字段（`Timestamp`, `Data` 和 `PrevBlockHash`），并将它们相互拼接起来，然后在拼接后的结果上计算一个 SHA-256，然后就得到了哈希.

```
Hash = SHA256(PrevBlockHash + Timestamp + Data)
```

在 `SetHash` 方法中完成这些操作：

```go
func (b *Block) SetHash() {
    timestamp := []byte(strconv.FormatInt(b.Timestamp, 10))
    headers := bytes.Join([][]byte{b.PrevBlockHash, b.Data, timestamp}, []byte{})
    hash := sha256.Sum256(headers)

    b.Hash = hash[:]
}
```

接下来，按照 Golang 的惯例，我们会实现一个用于简化创建区块的函数 `NewBlock`：

```go
func NewBlock(data string, prevBlockHash []byte) *Block {
    block := &Block{time.Now().Unix(), []byte(data), prevBlockHash, []byte{}}
    block.SetHash()
    return block
}
```

## 区块链

有了区块，下面让我们来实现区块**链**。本质上，区块链就是一个有着特定结构的数据库，是一个有序，每一个块都连接到前一个块的链表。也就是说，区块按照插入的顺序进行存储，每个块都与前一个块相连。这样的结构，能够让我们快速地获取链上的最新块，并且高效地通过哈希来检索一个块。

在 Golang 中，可以通过一个 array 和 map 来实现这个结构：array 存储有序的哈希（Golang 中 array 是有序的），map 存储 **hash -> block** 对(Golang 中, map 是无序的)。 但是在基本的原型阶段，我们只用到了 array，因为现在还不需要通过哈希来获取块。

```go
type Blockchain struct {
    blocks []*Block
}
```

这就是我们的第一个区块链！是不是出乎意料地简单? 就是一个 `Block` 数组。

现在，让我们能够给它添加一个区块：

```go
func (bc *Blockchain) AddBlock(data string) {
    prevBlock := bc.blocks[len(bc.blocks)-1]
    newBlock := NewBlock(data, prevBlock.Hash)
    bc.blocks = append(bc.blocks, newBlock)
}
```

结束！不过，就这样就完成了吗？

为了加入一个新的块，我们必须要有一个已有的块，但是，初始状态下，我们的链是空的，一个块都没有！所以，在任何一个区块链中，都必须至少有一个块。这个块，也就是链中的第一个块，通常叫做创世块（**genesis block**）. 让我们实现一个方法来创建创世块：

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

现在，我们可以实现一个函数来创建有创世块的区块链：

```go
func NewBlockchain() *Blockchain {
    return &Blockchain{[]*Block{NewGenesisBlock()}}
}
```

检查一个我们的区块链是否如期工作：

```go
func main() {
    bc := NewBlockchain()

    bc.AddBlock("Send 1 BTC to Ivan")
    bc.AddBlock("Send 2 more BTC to Ivan")

    for _, block := range bc.blocks {
        fmt.Printf("Prev. hash: %x\n", block.PrevBlockHash)
        fmt.Printf("Data: %s\n", block.Data)
        fmt.Printf("Hash: %x\n", block.Hash)
        fmt.Println()
    }
}
```

输出：

```bash
Prev. hash:
Data: Genesis Block
Hash: aff955a50dc6cd2abfe81b8849eab15f99ed1dc333d38487024223b5fe0f1168

Prev. hash: aff955a50dc6cd2abfe81b8849eab15f99ed1dc333d38487024223b5fe0f1168
Data: Send 1 BTC to Ivan
Hash: d75ce22a840abb9b4e8fc3b60767c4ba3f46a0432d3ea15b71aef9fde6a314e1

Prev. hash: d75ce22a840abb9b4e8fc3b60767c4ba3f46a0432d3ea15b71aef9fde6a314e1
Data: Send 2 more BTC to Ivan
Hash: 561237522bb7fcfbccbc6fe0e98bbbde7427ffe01c6fb223f7562288ca2295d1
```

## 总结

我们创建了一个非常简单的区块链原型：它仅仅是一个数组构成的一系列区块，每个块都与前一个块相关联。真实的区块链要比这复杂得多。在我们的区块链中，加入新的块非常简单，也很快，但是在真实的区块链中，加入新的块需要很多工作：你必须要经过十分繁重的计算（这个机制叫做工作量证明），来获得添加一个新块的权力。并且，区块链是一个分布式数据库，并且没有单一决策者。因此，要加入一个新块，必须要被网络的其他参与者确认和同意（这个机制叫做共识（consensus））。还有一点，我们的区块链还没有任何的交易！

进入 src 目录查看代码，执行 `make` 即可运行：

```bash
$ cd src
$ make
==> Go build
==> Running
Prev. hash:
Data: Genesis Block
Hash: 4693b71eee96760de4b0f051083376dcbed2f0711a44294ee5fd42fbeacc9579

Prev. hash: 4693b71eee96760de4b0f051083376dcbed2f0711a44294ee5fd42fbeacc9579
Data: Send 1 BTC to Ivan
Hash: 839380a2d0af1dc4686f16ade5423fecdc5f287db9322d9e18adcb4071e7c8ff

Prev. hash: 839380a2d0af1dc4686f16ade5423fecdc5f287db9322d9e18adcb4071e7c8ff
Data: Send 2 more BTC to Ivan
Hash: b38052a029bd2b1b9d4bb478af45b4c88605e99bc64e49031ba06d21ad4b0b38
```

参考：

\[1] [Block hashing algorithm](https://en.bitcoin.it/wiki/Block_hashing_algorithm)

\[2] [Building Blockchain in Go. Part 1: Basic Prototype](https://jeiwan.cc/posts/building-blockchain-in-go-part-1/)

bitcoin wiki 的[区块](https://en.bitcoin.it/wiki/Block)结构：

| Field        | Description                                  | Size               |
| ------------ | -------------------------------------------- | ------------------ |
| Magic no     | value always 0xD9B4BEF9                      | 4 bytes            |
| Blocksize    | number of bytes following up to end of block | 4 bytes            |
| Blockheader  | consists of 6 items                          | 80 bytes           |
| Transaction  | counter positive integer VI = VarInt         | 1 - 9 bytes        |
| transactions | the (non empty) list of transactions         | -many transactions |

* 上一节: [区块](basic-prototype)
* 下一节: [工作量证明](proof-of-work)
