1: 搭建最小可用的区块链
原文链接 #1: Minimal working blockchain
概要
区块链的基础概念其实是相当简单的：一个分布式的数据库，数据库的每个运行节点都维护一个持续增长的按时间排序的记录列表。在此章节中我们将实现一个最简版的区块链。此章节结束时，我们的区块链将有以下功能：
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严格定义的区块和区块链结构
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提供将包含任意数据的新区块写入到区块链的方法
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可以与其他运行节点沟通和同步链数据的运行节点
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提供简易的 HTTP API来操作单个运行节点。
区块数据结构
我们先从定义区块结构开始。在这个阶段，我们只给每个区块定义最必须的属性。
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index: 区块在区块链中的序列号 -
data: 任何需要包括在此区块中的数据 -
timestamp: 时间戳 -
hash: 根据 block 内容计算的sha256哈希值 -
previousHash: 上一个区块的hash值，此属性起到明确指定上一个区块的作用
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区块结构对应的代码如下：
class Block {
public index: number;
public hash: string;
public previousHash: string;
public timestamp: number;
public data: string;
constructor(index: number,
hash: string,
previousHash: string,
timestamp: number,
data: string) {
this.index = index;
this.previousHash = previousHash;
this.timestamp = timestamp;
this.data = data;
this.hash = hash;
}
}
区块哈希值
区块哈希值是区块中最重要的属性之一。哈希值根据所有区块中的数据计算而得，这意味着如果区块中任何属性发生变化，原有的哈希值就不再有效。区块哈希值也能被看成区块的唯一性标识。举例来说，有可能出现两个 index 一致的区块，但是他们总会有不一样的哈希值。
根据以下的代码来计算哈希值：
const calculateHash = (index: number,
previousHash: string,
timestamp: number,
data: string) : string =>
CryptoJS.SHA256(index + previousHash + timestamp + data).toString();
需要注意的是，在这个阶段，区块的哈希值与挖矿没有任何关系，因为还未有 POW（工作量证明） 问题需要解决。我们使用区块哈希值来保证区块的完整性，同时也使用它明确的引用上一个区块。
由以上对 hash和 previousHash 属性的处理，可推导出区块链重要的特性，即区块的内容不能被修改，除非同时修改它后续的所有区块内容。
以下的例子描述了这个特性。如果将第44区块的数据从“DESERT”修改成“STREET”，所有后续区块的哈希值也必须被修改。这是由于区块的哈希值取决于其previousHash 的值（以及其它属性）。
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这个特性在工作量证明被引入时尤其重要。一个区块在区块链中的位置越深（越靠前），要修改它的难度就越大，因为需要同时修改它本身以及它后续的所有区块。
创世区块
创世区块是区块链中的第一个区块。它是唯一一个没有 previousHash 的区块，我们在代码里将创世区块硬编码：
const genesisBlock: Block = new Block(
0, '816534932c2b7154836da6afc367695e6337db8a921823784c14378abed4f7d',
null, 1465154705, 'my genesis block!!');
创建区块
创建一个新的区块，需要获得上一个区块的哈希值，并创建其他必须的内容（ index, hash, data 和 timestamp)。区块的数据（data字段）由用户提供，其他的参数使用以下代码生成：
const generateNextBlock = (blockData: string) => {
const previousBlock: Block = getLatestBlock();
const nextIndex: number = previousBlock.index + 1;
const nextTimestamp: number = new Date().getTime() / 1000;
const nextHash: string = calculateHash(nextIndex,
previousBlock.hash,
nextTimestamp,
blockData);
const newBlock: Block = new Block(nextIndex,
nextHash,
previousBlock.hash,
nextTimestamp,
blockData);
return newBlock;
};
保存区块链
目前我们使用 JavaScript 的数组，将区块链保存在程序的运行内存中。这意味着当一个运行节点停止时，该节点上的区块链数据不会被持久化。
const blockchain: Block[] = [genesisBlock];
验证区块完整性
我们需要随时可以对一个区块，或者一条区块链上的区块是否有效（数据是否完好，哈希值是否对应内容）。当我们的节点从其他运行节点中接收新的区块时，我们尤其需要验证区块的有效性，以便决定是否接受这些区块。
验证区块的有效性，需要满足以下所有条件：
- 区块的
index需要比上一个区块大1； - 区块的
previousHash属性需要与上一个区块的hash属性一致； - 区块自身的 hash 值需要有效。
以下代码描述了验证过程：
const isValidNewBlock = (newBlock: Block, previousBlock: Block) => {
if (previousBlock.index + 1 !== newBlock.index) {
console.log('invalid index');
return false;
} else if (previousBlock.hash !== newBlock.previousHash) {
console.log('invalid previoushash');
return false;
} else if (calculateHashForBlock(newBlock) !== newBlock.hash) {
console.log(typeof (newBlock.hash) + ' '
+ typeof calculateHashForBlock(newBlock));
console.log('invalid hash: '
+ calculateHashForBlock(newBlock) + ' '
+ newBlock.hash);
return false;
}
return true;
};
同时我们还必须验证该区块的结构正确，以避免其他节点发来的未正确格式的数据造成程序崩溃。
const isValidBlockStructure = (block: Block): boolean => {
return typeof block.index === 'number'
&& typeof block.hash === 'string'
&& typeof block.previousHash === 'string'
&& typeof block.timestamp === 'number'
&& typeof block.data === 'string';
};
现在我们可以验证单个区块是否有效，让我们进一步对一条链上的区块做验证。首先验证链中的第一个区块为创世区块。然后，我们使用以上的方式来依次校验链中的下一个区块，以下为实现代码:
const isValidChain = (blockchainToValidate: Block[]): boolean => {
const isValidGenesis = (block: Block): boolean => {
return JSON.stringify(block) === JSON.stringify(genesisBlock);
};
if (!isValidGenesis(blockchainToValidate[0])) {
return false;
}
for (let i = 1; i < blockchainToValidate.length; i++) {
if (!isValidNewBlock(
blockchainToValidate[i], blockchainToValidate[i - 1])) {
return false;
}
}
return true;
};
选择最长链
在任何时候，在区块链中都应该只存在一组区块。在冲突发生的情况下（如：两个运行节点都生成了第72区块），则从中选择包含更长区块的链。在以下的例子中，由于被更长的区块链复写，第72区块: a350235b00 中的数据将不会被包括在区块链中。
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见代码实现：
const replaceChain = (newBlocks: Block[]) => {
if (isValidChain(newBlocks)
&& newBlocks.length > getBlockchain().length) {
console.log('Received blockchain is valid. Replacing current blockchain with received blockchain');
blockchain = newBlocks;
broadcastLatest();
} else {
console.log('Received blockchain invalid');
}
};
节点间通信
与其他节点分享数据和同步区块链数据，是每个运行节点的必要功能。以下规则来保证节点间网络的同步：
- 当一个节点生成新的区块时，它将此区块广播至网络中；
- 当一个节点连接到另一个节点时，向此节点查询最新的区块信息；
- 当一个节点发现新的区块，该区块的 index 比节点中的区块大，则将此区块加到自身的区块链中，或者查询以获得整条链的数据。
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在此项目中我们使用 WebSocket 技术来实现 peer-to-peer 的通信。各个节点活跃的 socket 列表保存在 const sockets: WebSocket[] 变量中。项目没有实现节点发现机制，需要手动添加所有的节点地址(WebSocket URLs)。
操作节点
用户需要能以某种方式来操作节点。在项目中我们为此搭建了对应的 HTTP 服务。
const initHttpServer = ( myHttpPort: number ) => {
const app = express();
app.use(bodyParser.json());
app.get('/blocks', (req, res) => {
res.send(getBlockchain());
});
app.post('/mineBlock', (req, res) => {
const newBlock: Block = generateNextBlock(req.body.data);
res.send(newBlock);
});
app.get('/peers', (req, res) => {
res.send(getSockets().map(( s: any ) =>
s._socket.remoteAddress + ':' + s._socket.remotePort));
});
app.post('/addPeer', (req, res) => {
connectToPeers(req.body.peer);
res.send();
});
app.listen(myHttpPort, () => {
console.log('Listening http on port: ' + myHttpPort);
});
};
根据以上代码，用户可以通过以下方式操作节点：
- 列举所有区块
- 创建一个由用户指定内容的新区块
- 列举和新增节点
可以使用 Curl 操作节点：
#get all blocks from the node
> curl http://localhost:3001/blocks
架构
每个节点都对外暴露两个web 服务: 一个 HTTP server 给用户来操作节点，一个Websocket HTTP server 实现节点间的数据通信。
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小结
Naivecoin 只是一个模拟的通用区块链实现。这部分章节为我们展示了如何简单的实现区块链的基础功能。下一章节中我们将 在Naivecoin 实现中加入POW（工作量证明）。
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