区块链是 21 世纪最具革命性的技术之一，它仍然处于不断成长的阶段，而且还有很多潜力尚未显现。 本质上，区块链只是一个分布式数据库而已。 不过，使它独一无二的是，区块链是一个公开的数据库，而不是一个私人数据库，也就是说，每个使用它的人都有一个完整或部分的副本。 只有经过其他“数据库管理员”的同意，才能向数据库中添加新的记录。 此外，也正是由于区块链，才使得加密货币和智能合约成为现实。

在本系列文章中，我们将实现一个简化版的区块链，并基于它来构建一个简化版的加密货币。

区块

首先从 “区块” 谈起。在区块链中，真正存储有效信息的是区块（block）。而在比特币中，真正有价值的信息就是交易（transaction）。实际上，交易信息是所有加密货币的价值所在。除此以外，区块还包含了一些技术实现的相关信息，比如版本，当前时间戳和前一个区块的哈希。

不过，我们要实现的是一个简化版的区块链，而不是一个像比特币技术规范所描述那样成熟完备的区块链。所以在我们目前的实现中，区块仅包含了部分关键信息，它的数据结构如下：

type Block struct {
    Timestamp     int64
    Data          []byte
    PrevBlockHash []byte
    Hash          []byte
}

字段	解释
Timestamp	当前时间戳，也就是区块创建的时间
PrevBlockHash	前一个块的哈希，即父哈希
Hash	当前块的哈希
Data	区块存储的实际有效信息，也就是交易

我们这里的 Timestamp，PrevBlockHash, Hash，在比特币技术规范中属于区块头（block header），区块头是一个单独的数据结构。 完整的 比特币的区块头（block header）结构 如下：

Field	Purpose	Updated when...	Size (Bytes)
Version	Block version number	You upgrade the software and it specifies a new version	4
hashPrevBlock	256-bit hash of the previous block header	A new block comes in	32
hashMerkleRoot	256-bit hash based on all of the transactions in the block	A transaction is accepted	32
Time	Current timestamp as seconds since 1970-01-01T00:00 UTC	Every few seconds	4
Bits	Current target in compact format	The difficulty is adjusted	4
Nonce	32-bit number (starts at 0)	A hash is tried (increments)	4

下面是比特币的 golang 实现 btcd 的 BlockHeader 定义:

// BlockHeader defines information about a block and is used in the bitcoin
// block (MsgBlock) and headers (MsgHeaders) messages.
type BlockHeader struct {
    // Version of the block.  This is not the same as the protocol version.
    Version int32

    // Hash of the previous block in the block chain.
    PrevBlock chainhash.Hash

    // Merkle tree reference to hash of all transactions for the block.
    MerkleRoot chainhash.Hash

    // Time the block was created.  This is, unfortunately, encoded as a
    // uint32 on the wire and therefore is limited to 2106.
    Timestamp time.Time

    // Difficulty target for the block.
    Bits uint32

    // Nonce used to generate the block.
    Nonce uint32
}

而我们的 Data, 在比特币中对应的是交易，是另一个单独的数据结构。为了简便起见，目前将这两个数据结构放在了一起。在真正的比特币中，区块 的数据结构如下：

Field	Description	Size
Magic no	value always 0xD9B4BEF9	4 bytes
Blocksize	number of bytes following up to end of block	4 bytes
Blockheader	consists of 6 items	80 bytes
Transaction counter	positive integer VI = VarInt	1 - 9 bytes
transactions	the (non empty) list of transactions	<transaction counter="" style="box-sizing: border-box; -webkit-font-smoothing: antialiased; font-size: inherit;">-many transactions</transaction>

在我们的简化版区块中，还有一个 Hash 字段，那么，要如何计算哈希呢？哈希计算，是区块链一个非常重要的部分。正是由于它，才保证了区块链的安全。计算一个哈希，是在计算上非常困难的一个操作。即使在高速电脑上，也要耗费很多时间 (这就是为什么人们会购买 GPU，FPGA，ASIC 来挖比特币) 。这是一个架构上有意为之的设计，它故意使得加入新的区块十分困难，继而保证区块一旦被加入以后，就很难再进行修改。在接下来的内容中，我们将会讨论和实现这个机制。

目前，我们仅取了 Block 结构的部分字段（Timestamp, Data 和 PrevBlockHash），并将它们相互拼接起来，然后在拼接后的结果上计算一个 SHA-256，然后就得到了哈希.

Hash = SHA256(PrevBlockHash + Timestamp + Data)

在 SetHash 方法中完成这些操作：

func (b *Block) SetHash() {
    timestamp := []byte(strconv.FormatInt(b.Timestamp, 10))
    headers := bytes.Join([][]byte{b.PrevBlockHash, b.Data, timestamp}, []byte{})
    hash := sha256.Sum256(headers)

    b.Hash = hash[:]
}

接下来，按照 Golang 的惯例，我们会实现一个用于简化创建区块的函数 NewBlock：

func NewBlock(data string, prevBlockHash []byte) *Block {
    block := &Block{time.Now().Unix(), []byte(data), prevBlockHash, []byte{}}
    block.SetHash()
    return block
}

区块链

有了区块，下面让我们来实现区块链。本质上，区块链就是一个有着特定结构的数据库，是一个有序，每一个块都连接到前一个块的链表。也就是说，区块按照插入的顺序进行存储，每个块都与前一个块相连。这样的结构，能够让我们快速地获取链上的最新块，并且高效地通过哈希来检索一个块。

在 Golang 中，可以通过一个 array 和 map 来实现这个结构：array 存储有序的哈希（Golang 中 array 是有序的），map 存储 hash -> block 对(Golang 中, map 是无序的)。 但是在基本的原型阶段，我们只用到了 array，因为现在还不需要通过哈希来获取块。

type Blockchain struct {
    blocks []*Block
}

这就是我们的第一个区块链！是不是出乎意料地简单? 就是一个 Block 数组。

现在，让我们能够给它添加一个区块：

func (bc *Blockchain) AddBlock(data string) {
    prevBlock := bc.blocks[len(bc.blocks)-1]
    newBlock := NewBlock(data, prevBlock.Hash)
    bc.blocks = append(bc.blocks, newBlock)
}

结束！不过，就这样就完成了吗？

为了加入一个新的块，我们必须要有一个已有的块，但是，初始状态下，我们的链是空的，一个块都没有！所以，在任何一个区块链中，都必须至少有一个块。这个块，也就是链中的第一个块，通常叫做创世块（genesis block）. 让我们实现一个方法来创建创世块：

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

现在，我们可以实现一个函数来创建有创世块的区块链：

func NewBlockchain() *Blockchain {
    return &Blockchain{[]*Block{NewGenesisBlock()}}
}

检查一个我们的区块链是否如期工作：

func main() {
    bc := NewBlockchain()

    bc.AddBlock("Send 1 BTC to Ivan")
    bc.AddBlock("Send 2 more BTC to Ivan")

    for _, block := range bc.blocks {
        fmt.Printf("Prev. hash: %x\n", block.PrevBlockHash)
        fmt.Printf("Data: %s\n", block.Data)
        fmt.Printf("Hash: %x\n", block.Hash)
        fmt.Println()
    }
}

输出：

Prev. hash:
Data: Genesis Block
Hash: aff955a50dc6cd2abfe81b8849eab15f99ed1dc333d38487024223b5fe0f1168

Prev. hash: aff955a50dc6cd2abfe81b8849eab15f99ed1dc333d38487024223b5fe0f1168
Data: Send 1 BTC to Ivan
Hash: d75ce22a840abb9b4e8fc3b60767c4ba3f46a0432d3ea15b71aef9fde6a314e1

Prev. hash: d75ce22a840abb9b4e8fc3b60767c4ba3f46a0432d3ea15b71aef9fde6a314e1
Data: Send 2 more BTC to Ivan
Hash: 561237522bb7fcfbccbc6fe0e98bbbde7427ffe01c6fb223f7562288ca2295d1

总结

我们创建了一个非常简单的区块链原型：它仅仅是一个数组构成的一系列区块，每个块都与前一个块相关联。真实的区块链要比这复杂得多。在我们的区块链中，加入新的块非常简单，也很快，但是在真实的区块链中，加入新的块需要很多工作：你必须要经过十分繁重的计算（这个机制叫做工作量证明），来获得添加一个新块的权力。并且，区块链是一个分布式数据库，并且没有单一决策者。因此，要加入一个新块，必须要被网络的其他参与者确认和同意（这个机制叫做共识（consensus））。还有一点，我们的区块链还没有任何的交易！

进入 src 目录查看代码，执行 make 即可运行：

$ cd src
$ make
==> Go build
==> Running
Prev. hash:
Data: Genesis Block
Hash: 4693b71eee96760de4b0f051083376dcbed2f0711a44294ee5fd42fbeacc9579

Prev. hash: 4693b71eee96760de4b0f051083376dcbed2f0711a44294ee5fd42fbeacc9579
Data: Send 1 BTC to Ivan
Hash: 839380a2d0af1dc4686f16ade5423fecdc5f287db9322d9e18adcb4071e7c8ff

Prev. hash: 839380a2d0af1dc4686f16ade5423fecdc5f287db9322d9e18adcb4071e7c8ff
Data: Send 2 more BTC to Ivan
Hash: b38052a029bd2b1b9d4bb478af45b4c88605e99bc64e49031ba06d21ad4b0b38

// 上面的data类型不统一但是可以做到统一这样类型定义不严谨代码如下

1.block.go 类

package block

import (
    "bytes"
    "crypto/sha256"
    "strconv"
    "time"
)

 //Block keeps block headers
type Block struct {
    Timestamp     int64
    Data          []byte
    PrevBlockHash []byte
    Hash          []byte
}


 //SetHash calculates and sets block hash
func (b *Block) SetHash() {
    timestamp := []byte(strconv.FormatInt(b.Timestamp, 10))
    headers := bytes.Join([][]byte{b.PrevBlockHash, b.Data, timestamp}, []byte{})
    hash := sha256.Sum256(headers)

    b.Hash = hash[:]
}



// NewBlock creates and returns Block
func NewBlock(data []byte, prevBlockHash []byte) *Block {
    block := &Block{time.Now().Unix(), data, prevBlockHash, []byte{}}
    block.SetHash()
    return block
}


// NewGenesisBlock creates and returns genesis Block
func NewGenesisBlock() *Block {
    return NewBlock([]byte("dhdhhdhdhdhd"), []byte{})
}

2.blockchain类

package block

// Blockchain keeps a sequence of Blocks
type Blockchain struct {
    Blocks []*Block
}

// AddBlock saves provided data as a block in the blockchain
func (bc *Blockchain) AddBlock(data []byte) {
    prevBlock := bc.Blocks[len(bc.Blocks)-1]
    newBlock := NewBlock(data, prevBlock.Hash)
    bc.Blocks = append(bc.Blocks, newBlock)
}

// NewBlockchain creates a new Blockchain with genesis Block
func NewBlockchain() *Blockchain {
    return &Blockchain{[]*Block{NewGenesisBlock()}}
}

3.main.go

package main

import (
    "fmt"
    "kongyxueyuan.com/PublicChain/part_1/block"

    "time"
)

func main() {
    bc := block.NewBlockchain()

    bc.AddBlock([]byte("Send 1 more BTC to Iva"))
    fmt.Println([]byte("Send 1 more BTC to Iva"))
    bc.AddBlock([]byte("Send 2 more BTC to Iva"))

    for _, Block := range bc.Blocks {
        fmt.Printf("Prev. hash: %x\n", Block.PrevBlockHash)
        fmt.Printf("Data: %s\n", Block.Data)
        fmt.Printf("Hash: %x\n", Block.Hash)
        fmt.Printf("Timestamp：%s \n",time.Unix(Block.Timestamp, 0).Format("2006-01-02 03:04:05 PM") )

        fmt.Println()
    }
}