只用200行Go代碼寫一個自己的區塊鏈！

 

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區塊鏈是目前最熱門的話題，廣大讀者都聽說過比特幣，或許還有智能合約，相信大家都非常想了解這一切是如何工作的。這篇文章就是幫助你使用 Go 語言來實現一個簡單的區塊鏈，用不到 200 行代碼來揭示區塊鏈的原理！高可用架構也會持續推出更多區塊鏈方面文章，歡迎點擊上方藍色『高可用架構』關注。

 

“用不到200行 Go 代碼就能實現一個自己的區塊鏈！” 聽起來有意思嗎？有什么能比開發一個自己的區塊鏈更好的學習實踐方法呢？那我們就一起來實踐下！

 

因為我們是一家從事醫療健康領域的科技公司，所以我們采用人類平靜時的心跳數據（BPM心率）作為這篇文章中的示例數據。讓我們先來統計一下你一分鍾內的心跳數，然后記下來，這個數字可能會在接下來的內容中用到。

通過本文，你將可以做到：

 

• 創建自己的區塊鏈

• 理解 hash 函數是如何保持區塊鏈的完整性

• 如何創造並添加新的塊

• 多個節點如何競爭生成塊

• 通過瀏覽器來查看整個鏈

• 所有其他關於區塊鏈的基礎知識

 

但是，對於比如工作量證明算法（PoW）以及權益證明算法（PoS）這類的共識算法文章中將不會涉及。同時為了讓你更清楚得查看區塊鏈以及塊的添加，我們將網絡交互的過程簡化了，關於 P2P 網絡比如“全網廣播”這個過程等內容將在下一篇文章中補上。

 

讓我們開始吧！

 

設置

 

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 開發環境后之后，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 console 中直接查看 struct 和 slice 這兩種數據結構。

 

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 可以幫助我們讀取項目根目錄中的 .env 配置文件，這樣我們就不用將 http port 之類的配置硬編碼進代碼中了。比如像這樣：

ADDR=8080

 

接下來，我們創建一個 main.go 文件。之后我們的大部分工作都圍繞這個文件，讓我開始編碼吧！

 

導入依賴

 

我們將所有的依賴包以聲明的方式導入進去：

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"
)

 

數據模型

 

接着我們來定義一個結構體，它代表組成區塊鏈的每一個塊的數據模型：

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 算法生成的散列值

• PrevHash 代表前一個塊的 SHA256 散列值

• BPM 每分鍾心跳數，也就是心率。還記得文章開頭說到的嗎？

 

接着，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

 

我們使用散列算法（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：

 

散列和生成塊

 

我們為什么需要散列？主要是兩個原因：

• 在節省空間的前提下去唯一標識數據。散列是用整個塊的數據計算得出，在我們的例子中，將整個塊的數據通過 SHA256 計算成一個定長不可偽造的字符串。

• 維持鏈的完整性。通過存儲前一個塊的散列值，我們就能夠確保每個塊在鏈中的正確順序。任何對數據的篡改都將改變散列值，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，那么整個鏈都變得不可信了。

 

我們接着寫一個函數，用來計算給定的數據的 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)
}

 

這個 calculateHash 函數接受一個塊，通過塊中的 Index，Timestamp，BPM，以及 PrevHash 值來計算出 SHA256 散列值。接下來我們就能便攜一個生成塊的函數：

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() 函數來獲得的，Hash 值通過前面的 calculateHash 函數計算得出，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數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數：

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添加到各自的鏈上，那我們應該以誰為准？這里的細節我們留到下一篇文章，這里先讓我們記住一個原則：始終選擇最長的鏈。

 

通常來說，更長的鏈表示它的數據（狀態）是更新的，所以我們需要一個函數

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數完成了。接下來，我們需要一個方便直觀的方式來查看我們的鏈，包括數據及狀態。通過瀏覽器查看 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。
借助 Gorilla/mux 包，我們先寫一個函數來初始化我們的 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
}

 

其中的端口號是通過前面提到的 .env 來獲得，再添加一些基本的配置參數，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 請求我們可以查看整個鏈，“/”的 POST 請求可以創建塊。

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 來查看（這里的8080就是你在 .env 中定義的端口號 ADDR）。

POST 請求的 handler 稍微有些復雜，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 這個函數嗎？它接受一個“前一個塊”參數，和一個 BPM 值。POST handler 接受請求后就能獲得請求體中的 BPM 值，接着借助生成塊的函數以及校驗塊的函數就能生成一個新的塊了！

除此之外，你也可以：

• 使用spew.Dump 這個函數可以以非常美觀和方便閱讀的方式將 struct、slice 等數據打印在控制台里，方便我們調試。

• 測試 POST 請求時，可以使用 POSTMAN 這個 chrome 插件，相比 curl它更直觀和方便。

 

POST 請求處理完之后，無論創建塊成功與否，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數，web 服務的函數“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())

}

 

這里的 genesisBlock （創世塊）是 main 函數中最重要的部分，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

 

你們可以從這里獲得完整的代碼：Github repo[1]
讓我們來啟動它：

go run main.go

 

在終端中，我們可以看到 web 服務器啟動的日志信息，並且打印出了創世塊的信息：

 

接着我們打開瀏覽器，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信息（當然，目前只有一個創世塊）：

 

接着，我們再通過 POSTMAN 來發送一些 POST 請求：

 

刷新剛才的頁面，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，塊的順序和散列值都正確。

下一步

 

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、散列計算、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算法，或者是智能合約、Dapp、側鏈等等。

目前這個實現中不包括任何 P2P 網絡的內容，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！

 

 

相關鏈接

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

 

特別推薦：

 

比特幣、以太坊、ERC20、PoW、PoS、智能合約、閃電網絡……

 

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本文作者 Coral Health，由魏佳翻譯。轉載譯文請注明出處，技術原創及架構實踐文章，歡迎通過公眾號菜單「聯系我們」進行投稿。

 

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