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只用200行Go代码写一个自己的区块链!

2018-01-30 12:49 Coral Health

区块链是目前最热门的话题,广大读者都听说过比特币,或许还有智能合约,相信大家都非常想了解这一切是如何工作的。这篇文章就是帮助你使用 Go 语言来实现一个简单的区块链,用不到 200 行代码来揭示区块链的原理!高可用架构也会持续推出更多区块链方面文章,欢迎点击上方蓝色『高可用架构』关注。


“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!


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。

通过本文,你将可以做到:


  • 创建自己的区块链

  • 理解 hash 函数是如何保持区块链的完整性

  • 如何创造并添加新的块

  • 多个节点如何竞争生成块

  • 通过浏览器来查看整个链

  • 所有其他关于区块链的基础知识


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。


让我们开始吧!


设置


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:

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

spew 可以帮助我们在 console 中直接查看 struct 和 slice 这两种数据结构。


go get github.com/gorilla/mux

Gorilla 的 mux 包非常流行, 我们用它来写 web handler。


go get github.com/joho/godotenv

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:

ADDR=8080


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!


导入依赖


我们将所有的依赖包以声明的方式导入进去:

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"
)


数据模型


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:

type Block struct {
Index int
Timestamp string
BPM int
Hash string
PrevHash string
}
  • Index 是这个块在整个链中的位置

  • Timestamp 显而易见就是块生成时的时间戳

  • Hash 是这个块通过 SHA256 算法生成的散列值

  • PrevHash 代表前一个块的 SHA256 散列值

  • BPM 每分钟心跳数,也就是心率。还记得文章开头说到的吗?


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:

var Blockchain []Block


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:


散列和生成块


我们为什么需要散列?主要是两个原因:

  • 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。

  • 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。


我们接着写一个函数,用来计算给定的数据的 SHA256 散列值:

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)
}


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:

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。


校验块


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:

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。


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

能帮我们将本地的过期的链切换成最新的链:

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



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!


Web 服务

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。
借助 Gorilla/mux 包,我们先写一个函数来初始化我们的 web 服务:

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!
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。

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


GET 请求的 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))
}


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)。

POST 请求的 handler 稍微有些复杂,我们先来定义一下 POST 请求的 payload:

type Message struct {
BPM int
}


再看看 handler 的实现:

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)

}


我们的 POST 请求体中可以使用上面定义的 payload,比如:

{"BPM":75}


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!

除此之外,你也可以:

  • 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。

  • 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。


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:

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


接下来,我们把这些关于区块链的函数,web 服务的函数“组装”起来:

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())

}


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。



哦耶!完成了


你们可以从这里获得完整的代码:Github repo[1]
让我们来启动它:

go run main.go


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:


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):


接着,我们再通过 POSTMAN 来发送一些 POST 请求:


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。

下一步


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。

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!



相关链接

  • https://github.com/mycoralhealth/blockchain-tutorial/blob/master/main.go


特别推荐:


比特币、以太坊、ERC20、PoW、PoS、智能合约、闪电网络……


想深入了解及讨论这些话题?高可用架构在知识星球(小密圈)创建了区块链学习小组,共同学习区块链包括数字货币前沿技术,欢迎点击链接加入。


区块链学习小组


文作者 Coral Health,由魏佳翻译。转载译文请注明出处,技术原创及架构实践文章,欢迎通过公众号菜单「联系我们」进行投稿。


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