[區塊鍊\了解BTCD源碼]GO語言實作一個區塊鍊原型

摘要

本文建構了一個使用工作量證明機制（POW）的類BTC的區塊鍊。将區塊鍊持久化到一個Bolt資料庫中，然後會提供一個簡單的指令行接口，用來完成一些與區塊鍊的互動操作。這篇文章目的是希望幫助大家了解BTC源碼的架構，是以主要專注于的實作原理及存儲上，暫時忽略了 “分布式” 這個部分。嚴格來說還不能算是一個完全意義上的區塊鍊系統。

開發環境

語言：GO;

資料庫：BoltDB;

IDE： Goland或其他工具都可以;

系統：不限，本文使用windows。

BoltDB資料庫

實際上，選擇任何一個資料庫都可以，本文先用的是BoltDB。在比特币白皮書中，并沒有提到要使用哪一個具體的資料庫，它完全取決于開發者如何選擇。現在是比特币的一個參考實作，Bitcoin core使用的是是LevelDB。

BoltDB安裝及使用可以參考《BoltDB簡單使用教程》。

BoltDB有如下優點：

1. 非常簡單和簡約
2. 用 Go 實作
3. 不需要運作一個伺服器
4. 能夠允許我們構造想要的資料結構

由于 Bolt 意在用于提供一些底層功能，簡潔便成為其關鍵所在。它的API 并不多，并且僅關注值的擷取和設定。僅此而已。

Bolt 使用鍵值存儲，資料被存儲為鍵值對（key-value pair，就像 Golang 的 map）。鍵值對被存儲在 bucket 中，這是為了将相似的鍵值對進行分組（類似 RDBMS 中的表格）。是以，為了擷取一個值，你需要知道一個 bucket 和一個鍵（key）。

注意：Bolt 資料庫沒有資料類型：鍵和值都是位元組數組（byte array）。鑒于需要在裡面存儲 Go 的結構（準确來說，也就是存儲（塊）Block），我們需要對它們進行序列化，也就說，實作一個從 Go struct 轉換到一個 byte array 的機制，同時還可以從一個 byte array 再轉換回 Go struct。雖然我們将會使用 encoding/gob 來完成這一目标，但實際上也可以選擇使用 JSON, XML, Protocol Buffers 等等。之是以選擇使用 encoding/gob, 是因為它很簡單，而且是 Go 标準庫的一部分。

區塊鍊原型的函數架構

系統實作

1.區塊檔案block.go

該部分主要包括：

對區塊結構的定義；建立區塊的方法NewBlock（）；區塊的序列化Serialize（）與反序列化Deserialize（）函數；以及創世區塊的生成NewGenesisBlock()。

//定義一個區塊的結構Block
type Block struct {
    //版本号
    Version int64
    //父區塊頭哈希值
    PreBlockHash []byte
    //目前區塊的Hash值, 為了簡化代碼
    Hash []byte
    //Merkle根
    MerkleRoot []byte
    //時間戳
    TimeStamp int64
    //難度值
    Bits int64
    //随機值
    Nonce int64

    //交易資訊
    Data []byte
}

//提供一個建立區塊的方法
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 序列化為一個位元組數組
func (block *Block) Serialize() []byte {
    var buffer bytes.Buffer
    encoder := gob.NewEncoder(&buffer)

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

    return buffer.Bytes()
}

// 将位元組數組反序列化為一個 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
}


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

2.區塊鍊blockChain.go

該部分内容主要包括：

• 定義一個區塊鍊結構BlockChain結構體；
• 提供一個建立BlockChain的方法NewBlockChain()；

我們希望

NewBlockchain實作的功能有

：

1. 打開一個資料庫檔案
2. 檢查檔案裡面是否已經存儲了一個區塊鍊
3. 如果已經存儲了一個區塊鍊：
   1. 建立一個新的 

      Blockchain

       執行個體
   2. 設定 

      Blockchain

       執行個體的 tip 為資料庫中存儲的最後一個塊的哈希
4. 如果沒有區塊鍊：
   1. 建立創世塊
   2. 存儲到資料庫
   3. 将創世塊哈希儲存為最後一個塊的哈希

   4. Blockchain

       執行個體，初始時 tail 指向創世塊（ tail存儲的是最後一個塊的哈希值）

• 提供一個添加區塊的方法AddBlock(data string)；
• 疊代器對區塊進行周遊。

const dbFile = "blockchain.db"
const blocksBucket = "bucket"
const lastHashKey = "key"

//定義一個區塊鍊結構BlockChain
type BlockChain struct {
    //blocks []*Block
    //資料庫的操作句柄
    db *bolt.DB
    //tail尾巴，表示最後一個區塊的哈希值
    //在鍊的末端可能出現短暫分叉的情況，是以選擇tail其實也就是選擇了哪條鍊
    tail []byte
}

//提供一個建立BlockChain的方法
func NewBlockChain() *BlockChain {
    // 打開一個 BoltDB 檔案
    //func Open(path string, mode os.FileMode, options *Options) (*DB, error)
    db, err := bolt.Open(dbFile, 0600, nil)
    //utils中的校驗函數，校驗錯誤
    CheckErr("NewBlockChain1", err)

    var lastHash []byte

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

        // 如果資料庫中不存在bucket,要去建立創世區塊，将資料填寫到資料庫的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 {
            //直接讀取最後區塊的哈希值
            lastHash = bucket.Get([]byte(lastHashKey))
        }

        return nil
    })

    CheckErr("db.Update", err)

    return &BlockChain{db, lastHash}
}

//提供一個添加區塊的方法
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)
}

//疊代器，就是一個對象，它裡面包含了一個遊标，一直向前/後移動，完成整個容器的周遊
type BlockChainIterator struct {
    currentHash []byte
    db          *bolt.DB
}

//建立疊代器，同時初始化為指向最後一個區塊
func (bc *BlockChain) NewIterator() *BlockChainIterator {
    return &BlockChainIterator{bc.tail, bc.db}
}

// 傳回鍊中的下一個塊
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.工作量證明機制POW.go

建立POW的方法NewProofOfWork(block *Block) ；

計算哈希值的方法 Run() (int64, []byte)；

//定義一個工作量證明的結構ProofOfWork
type ProofOfWork struct {
    block *Block
    //目标值
    target *big.Int
}

//難度值常量
const targetBits = 20

//建立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
}

//給Run()準備資料
func (pow *ProofOfWork) PrepareData(nonce int64) []byte {
    block := pow.block
    tmp := [][]byte{
        /*
            需要将block中的不同類型都轉化為byte，以便進行連接配接
        */
        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
}

//計算哈希值的方法
func (pow *ProofOfWork) Run() (int64, []byte) {
    /*僞代碼
    for nonce {
        hash := sha256(block資料 + nonce)
        if 轉換（Hash）< pow.target{
            找到了
        }else{
        nonce++
        }
    }
    return nonce，hash{:}
    */
    //1.拼裝資料
    //2.哈希值轉成big.Int類型
    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[:]
}

//校驗函數
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.指令函互動CLI.go

注意這部分需要使用标準庫裡面的 flag 包來解析指令行參數；

首先，建立兩個子指令: 

addblock

 和 

printchain

, 然後給 

addblock

 添加 --

data

 标志。

printchain

 沒有标志；

然後，檢查使用者輸入的指令并解析相關的 

flag

 子指令；

最後檢查解析是哪一個子指令，并調用相關函數執行。

具體如下：

//因為是多行的，是以用反引号`···`包一下，可以實作多行字元串的拼接，不需要轉義！
//指令行提示
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"

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

//參數檢查函數
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:
        //添加動作
        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:
        //列印輸出
        err := printChainCmd.Parse(os.Args[2:])
        CheckErr("Run()2", err)
        if printChainCmd.Parsed() {
            cli.PrintChain()
        }
    default:
        //指令不符合規定，輸出提示資訊
        cli.printUsage()
    }
}      

區塊鍊操作示範效果：

首先 go build 編譯程式；輸入不帶--data參數的錯誤指令，檢視提示。

輸入交易資訊，檢視pow運算：

列印區塊鍊已有區塊資訊：

Reference：

最後要感謝Ivan Kuznetsov在GitHub社群的貢獻！