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[区块链\BTC原理\源码]用 Go 构建一个区块链原型

摘要

本文构建了一个使用工作量证明机制（POW）的类BTC的区块链。将区块链持久化到一个Bolt数据库中，然后会提供一个简单的命令行接口，用来完成一些与区块链的交互操作。这篇文章目的是希望帮助大家理解BTC源码的架构，所以主要专注于的实现原理及存储上，暂时忽略了 “分布式” 这个部分。严格意义上还不能算是一个完全意义上的区块链系统。

开发环境

BoltDB数据库

实际上，选择任何一个数据库都可以，本文先用的是BoltDB。在比特币白皮书中，并没有提到要使用哪一个具体的数据库，它完全取决于开发者如何选择。现在是比特币的一个参考实现，Bitcoin core使用的是是LevelDB。

BoltDB安装及使用可以参考《BoltDB简单使用教程》。

BoltDB有如下优点：

  1. 非常简单和简约
  2. 用 Go 实现
  3. 不需要运行一个服务器
  4. 能够允许我们构造想要的数据结构

由于 Bolt 意在用于提供一些底层功能，简洁便成为其关键所在。它的API 并不多，并且仅关注值的获取和设置。仅此而已。

Bolt 使用键值存储，数据被存储为键值对（key-value pair，就像 Golang 的 map）。键值对被存储在 bucket 中，这是为了将相似的键值对进行分组（类似 RDBMS 中的表格）。因此，为了获取一个值，你需要知道一个 bucket 和一个键（key）。

需要注意的一个事情是，Bolt 数据库没有数据类型：键和值都是字节数组（byte array）。鉴于需要在里面存储 Go 的结构（准确来说，也就是存储（块）Block），我们需要对它们进行序列化，也就说，实现一个从 Go struct 转换到一个 byte array 的机制，同时还可以从一个 byte array 再转换回 Go struct。虽然我们将会使用 encoding/gob 来完成这一目标，但实际上也可以选择使用 JSON, XML, Protocol Buffers 等等。之所以选择使用 encoding/gob, 是因为它很简单，而且是 Go 标准库的一部分。

数据库结构

在开始实现持久化的逻辑之前，我们首先需要决定到底要如何在数据库中进行存储。为此，我们可以参考 Bitcoin Core 的做法：

简单来说，Bitcoin Core 使用两个 “bucket” 来存储数据：

  1. 其中一个 bucket 是 blocks，它存储了描述一条链中所有块的元数据
  2. 另一个 bucket 是 chainstate，存储了一条链的状态，也就是当前所有的未花费的交易输出，和一些元数据

此外，出于性能的考虑，Bitcoin Core 将每个区块（block）存储为磁盘上的不同文件。如此一来，就不需要仅仅为了读取一个单一的块而将所有（或者部分）的块都加载到内存中。但是，为了简单起见，我们并不会实现这一点。

在 blocks 中，key -> value 为：

在 chainstate，key -> value 为：

因为目前还没有交易，所以我们只需要 blocks bucket。另外，正如上面提到的，我们会将整个数据库存储为单个文件，而不是将区块存储在不同的文件中。所以，我们也不会需要文件编号（file number）相关的东西。最终，我们会用到的键值对有：

  1. 32 字节的 block-hash -> block 结构
  2. l -> 链中最后一个块的 hash

这就是实现持久化机制所有需要了解的内容了。

系统实现

1.区块文件block.go

该部分主要包括：

对区块结构的定义；创建区块的方法NewBlock（）；区块的序列化Serialize（）与反序列化Deserialize（）函数；以及创世区块的生成NewGenesisBlock()。

//定义一个区块的结构Block
type Block struct {
    //版本号
    Version int64
    //父区块头哈希值
    PreBlockHash []byte
    //当前区块的Hash值, 为了简化代码
    Hash []byte
    //Merkle根
    MerkleRoot []byte
    //时间戳
    TimeStamp int64
    //难度值
    Bits int64
    //随机值
    Nonce int64

    //交易信息
    Data []byte
}

//提供一个创建区块的方法
func NewBlock(data string, preBlockHash []byte) *Block {
    var block Block
    block = Block{
        Version:      1,
        PreBlockHash: preBlockHash,
        //Hash TODO
        MerkleRoot: []byte{},
        TimeStamp:  time.Now().Unix(),
        Bits:       targetBits,
        Nonce:      0,
        Data:       []byte(data)}
    //block.SetHash()
    pow := NewProofOfWork(&block)
    nonce, hash := pow.Run()
    block.Nonce = nonce
    block.Hash = hash

    return &block
}

// 将 Block 序列化为一个字节数组
func (block *Block) Serialize() []byte {
    var buffer bytes.Buffer
    encoder := gob.NewEncoder(&buffer)

    err := encoder.Encode(block)
    CheckErr("Serialize", err)

    return buffer.Bytes()
}

// 将字节数组反序列化为一个 Block
func Deserialize(data []byte) *Block {

    if len(data) == 0 {
        return nil
    }

    var block Block

    decoder := gob.NewDecoder(bytes.NewReader(data))
    err := decoder.Decode(&block)
    CheckErr("Deserialize", err)

    return &block
}


//创世块
func NewGenesisBlock() *Block {
    return NewBlock("Genesis Block", []byte{})
}

2.区块链blockChain.go

该部分内容主要包括：

定义一个区块链结构BlockChain结构体；
提供一个创建BlockChain的方法NewBlockChain()；
提供一个添加区块的方法AddBlock(data string)；

迭代器对区块进行遍历。
const dbFile = "blockchain.db"
const blocksBucket = "bucket"
const lastHashKey = "key"

//定义一个区块链结构BlockChain
type BlockChain struct {
    //blocks []*Block
    //数据库的操作句柄
    db *bolt.DB
    //tail尾巴，表示最后一个区块的哈希值
    //在链的末端可能出现短暂分叉的情况，所以选择tail其实也就是选择了哪条链
    tail []byte
}

//提供一个创建BlockChain的方法
func NewBlockChain() *BlockChain {
    // 打开一个 BoltDB 文件
    //func Open(path string, mode os.FileMode, options *Options) (*DB, error)
    db, err := bolt.Open(dbFile, 0600, nil)
    //utils中的校验函数，校验错误
    CheckErr("NewBlockChain1", err)

    var lastHash []byte

    err = db.Update(func(tx *bolt.Tx) error {
        bucket := tx.Bucket([]byte(blocksBucket))

        // 如果数据库中不存在bucket,要去创建创世区块，将数据填写到数据库的bucket中
        if bucket == nil {
            fmt.Println("No existing blockchain found. Creating a new one...")
            genesis := NewGenesisBlock()

            bucket, err := tx.CreateBucket([]byte(blocksBucket))
            CheckErr("NewBlockChain2", err)

            err = bucket.Put(genesis.Hash, genesis.Serialize())
            CheckErr("NewBlockChain3", err)

            err = bucket.Put([]byte(lastHashKey), genesis.Hash)
            CheckErr("NewBlockChain4", err)
            lastHash = genesis.Hash
        } else {
            //直接读取最后区块的哈希值
            lastHash = bucket.Get([]byte(lastHashKey))
        }

        return nil
    })

    CheckErr("db.Update", err)

    return &BlockChain{db, lastHash}
}

//提供一个添加区块的方法
func (bc *BlockChain) AddBlock(data string) {
    var preBlockHash []byte

    err := bc.db.View(func(tx *bolt.Tx) error {
        bucket := tx.Bucket([]byte(blocksBucket))
        if bucket == nil {
            os.Exit(1)
        }

        preBlockHash = bucket.Get([]byte(lastHashKey))
        return nil
    })
    CheckErr("AddBlock-View", err)

    block := NewBlock(data, preBlockHash)
    err = bc.db.Update(func(tx *bolt.Tx) error {
        bucket := tx.Bucket([]byte(blocksBucket))
        if bucket == nil {
            os.Exit(1)
        }

        err = bucket.Put(block.Hash, block.Serialize())
        CheckErr("AddBlock1", err)

        err = bucket.Put([]byte(lastHashKey), block.Hash)
        CheckErr("AddBlock2", err)
        bc.tail = block.Hash
        return nil
    })
    CheckErr("AddBlock-Update", err)
}

//迭代器，就是一个对象，它里面包含了一个游标，一直向前/后移动，完成整个容器的遍历
type BlockChainIterator struct {
    currentHash []byte
    db          *bolt.DB
}

//创建迭代器，同时初始化为指向最后一个区块
func (bc *BlockChain) NewIterator() *BlockChainIterator {
    return &BlockChainIterator{bc.tail, bc.db}
}

// 返回链中的下一个块
func (it *BlockChainIterator) Next() (block *Block) {

    err := it.db.View(func(tx *bolt.Tx) error {
        bucket := tx.Bucket([]byte(blocksBucket))
        if bucket == nil {
            return nil
        }
        data := bucket.Get(it.currentHash)
        block = Deserialize(data)
        it.currentHash = block.PreBlockHash
        return nil
    })
    CheckErr("Next", err)
    return
}

3.工作量证明机制POW.go

该部分主要包括：

创建POW的方法NewProofOfWork(block *Block) ；

计算哈希值的方法 Run() (int64, []byte)；

//定义一个工作量证明的结构ProofOfWork
type ProofOfWork struct {
    block *Block
    //目标值
    target *big.Int
}

//难度值常量
const targetBits = 20

//创建POW的方法
func NewProofOfWork(block *Block) *ProofOfWork {

    //000000000000000... 01
    target := big.NewInt(1)
    //0x1000000000000...00
    target.Lsh(target, uint(256-targetBits))

    pow := ProofOfWork{block: block, target: target}
    return &pow
}

//给Run()准备数据
func (pow *ProofOfWork) PrepareData(nonce int64) []byte {
    block := pow.block
    tmp := [][]byte{
        /*
            需要将block中的不同类型都转化为byte，以便进行连接
        */
        IntToByte(block.Version),
        block.PreBlockHash,
        block.MerkleRoot,
        IntToByte(block.TimeStamp),
        IntToByte(nonce),
        IntToByte(targetBits),
        block.Data}
    //func Join(s [][]byte, sep []byte) []byte
    data := bytes.Join(tmp, []byte{})
    return data
}

//计算哈希值的方法
func (pow *ProofOfWork) Run() (int64, []byte) {
    /*伪代码
    for nonce {
        hash := sha256(block数据 + nonce)
        if 转换（Hash）< pow.target{
            找到了
        }else{
        nonce++
        }
    }
    return nonce，hash{:}
    */
    //1.拼装数据
    //2.哈希值转成big.Int类型
    var hash [32]byte
    var nonce int64 = 0
    var hashInt big.Int

    fmt.Println("Begin Minding...")
    fmt.Printf("target hash :    %x\n", pow.target.Bytes())

    for nonce < math.MaxInt64 {
        data := pow.PrepareData(nonce)
        hash = sha256.Sum256(data)

        hashInt.SetBytes(hash[:])
        // Cmp compares x and y and returns:
        //
        //   -1 if x <  y
        //    0 if x == y
        //   +1 if x >  y
        //
        //func (x *Int) Cmp(y *Int) (r int) {
        if hashInt.Cmp(pow.target) == -1 {
            fmt.Printf("found hash  :%x,nonce :%d\n,", hash, nonce)
            break
        } else {
            //fmt.Printf("not found nonce,current nonce :%d,hash : %x\n", nonce, hash)
            nonce++
        }
    }
    return nonce, hash[:]
}

//校验函数
func (pow *ProofOfWork) IsValid() bool {
    var hashInt big.Int

    data := pow.PrepareData(pow.block.Nonce)
    hash := sha256.Sum256(data)
    hashInt.SetBytes(hash[:])

    return hashInt.Cmp(pow.target) == -1
}

4.命令函交互CLI.go

注意这部分需要使用标准库里面的 flag 包来解析命令行参数；

首先，创建两个子命令: addblock 和 printchain, 然后给 addblock 添加 --data 标志。printchain 没有标志；

然后，检查用户输入的命令并解析相关的 flag 子命令；

最后检查解析是哪一个子命令，并调用相关函数执行。

具体如下：

//因为是多行的，所以用反引号`···`包一下，可以实现多行字符串的拼接，不需要转义！
//命令行提示
const usage = `
Usage:
  addBlock -data BLOCK_DATA    "add a block to the blockchain"
  printChain                   "print all the blocks of the blockchain"
`
const AddBlockCmdString = "addBlock"
const PrintChainCmdString = "printChain"

//输出提示函数
func (cli *CLI) printUsage() {
    fmt.Println("Invalid input!")
    fmt.Println(usage)
    os.Exit(1)
}

//参数检查函数
func (cli *CLI) validateArgs() {
    if len(os.Args) < 2 {
        fmt.Println("invalid input!")
        cli.printUsage()
    }
}

func (cli *CLI) Run() {
    cli.validateArgs()

    addBlockCmd := flag.NewFlagSet(AddBlockCmdString, flag.ExitOnError)
    printChainCmd := flag.NewFlagSet(PrintChainCmdString, flag.ExitOnError)
    //func (f *FlagSet) String(name string, value string, usage string) *string
    addBlocCmdPara := addBlockCmd.String("data", "", "Block data")

    switch os.Args[1] {
    case AddBlockCmdString:
        //添加动作
        err := addBlockCmd.Parse(os.Args[2:])
        CheckErr("Run()1", err)
        if addBlockCmd.Parsed() {
            if *addBlocCmdPara == "" {
                fmt.Println("addBlock data not should be empty!")
                cli.printUsage()
            }
            cli.AddBlock(*addBlocCmdPara)
        }
    case PrintChainCmdString:
        //打印输出
        err := printChainCmd.Parse(os.Args[2:])
        CheckErr("Run()2", err)
        if printChainCmd.Parsed() {
            cli.PrintChain()
        }
    default:
        //命令不符合规定，输出提示信息
        cli.printUsage()
    }
}

区块链操作演示效果：

首先 go build 编译程序；输入不带--data参数的错误命令，查看提示。

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输入交易信息，查看pow运算：

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