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30分钟自己写一个区块链（一）

下载官方imtoken钱包 2023-12-30 05:07:35

阅读时间：10 分钟聊天

去年在币圈动荡、币价飞涨的时候，我们看到了很多优秀的区块链产品在背后出现，也看到了很多以集资为目的的“空气币”。 很多人对区块链的兴趣也越来越浓，那么加密货币背后的区块链到底有多少技术含量呢？ 我们甚至可以从头开始实施区块链吗？ 答案当然是可以的，我们可以创建一条链。 今天，就简单的说一下吧。

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（图为初生Ethercat，价值250ETH，截至发稿时价值约28万美元）

什么是加密货币？

在大多数实现中，加密货币只是其区块链中相应账户的余额。 对于每一笔交易，当绝大多数区块链节点证明交易合法时，余额从一个账户转移到另一个账户并在整个网络中更新。 同时，为算力付费的节点可以获得交易手续费，就像银行转账手续费一样。

什么是区块链？

一般来说，区块链（BlockChain）是由一个个称为区块的账本组成。 所有分类帐在维护区块链网络的每个节点上都有完整的副本。 区块的内容经过哈希处理（Hash），并在分布式系统中链接在一起。 每个块可以包含许多事务、文件或任意数据。 新区块被发现后，会将这些数据作为一个整体进行哈希处理，成为一个很短的哈希码，存储在新区块中。 如果不清楚什么是hash，可以看原版的另一篇文章：什么是hash？ 5分钟让你看懂

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（比特币的区块链图，每个区块存储前一个区块所有内容的hash）

区块链的不变性就是通过这样的链哈希来实现的。 试想一下，如果我要改变一个区块中的内容，它必然会改变它的哈希值，这意味着后续所有区块中的哈希值都必然会改变，维护网络的节点当然不会同意，除非我的算力可以大于全网算力的50%（在某些情况下，攻击所需的算力更低）。

如何从技术上实现区块链？

首先，假定读者具有基本的编程技能。 虽然本文是用 Javascript 编写的，但是掌握任何一种编程语言的读者阅读起来应该没有任何困难。

只想看最终代码？ 点击下方Github链接原文。

开发准备

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我们首先需要安装最新版本的Node.js，可以通过NVM安装。

  1. curl -o- https://raw.githubusercontent.com/creationix/nvm/v0.33.8/install.sh | bash
  2. nvm install 9.4.0
  3. node -v

第一步是建立区块链模型

让我们首先构建一个可以创建新块和创建交易的区块链模型。

  1. 'use strict';
  2. //定义一个class，叫Blockchain，每一个区块链都是这个class的实例
  3. class Blockchain {
  4.     constructor() {
  5.         this.chain = []; // 储存所有区块
  6.         this.difficulty = 1; // 挖矿的难度
  7.     }
  8.     createBlock() {
  9.         // 创造一个新区块
  10.     }
  11.     createTransaction() {
  12.         // 创建一个交易
  13.     }
  14.     static hash(block) {
  15.         // 对一个区块进行哈希
  16.     }
  17.     static latesBlock() {
  18.         // 取得链上的最后一个区块
  19.     }
  20. }

这里我想解释一下区块（block）和交易（transaction）是什么样子的。 虽然不同区块链的区块模型差异很大，但一些最基本的元素是相同的。 基本块如下所示：

  1. var block = {
  2.     timestamp: 1516245715528,
  3.     id: 0,
  4.     proof: 786453290000,
  5.     previousBlockHash: "12f79cda4fb3f084531de2034e6b4acf"
  6.     transactions: [{
  7.         sender: "0xca35b7d915458ef540ade6068dfe2f44e8fa733c",
  8.         receiver: "0x14723a09acff6d2a60dcdf7aa4aff308fddc160c",
  9.         value: 100
  10.     }]
  11. }

可以看出，一个区块包含了它被挖出时的时间戳（timestamp）、它在区块链中的位置（id）、它的证明（proof，后面会讲到更多）、前一个区块的整体哈希值（ previousBlockHash），包括交易（transactions）。 作为最基本的交易模型，每笔交易只包括发送方的地址（sender）、接收方的地址（receiver）和本次交易的价值（value）。

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第二步实现基本功能工具功能

这里我们首先实现一个效用函数Hash(block)，它会帮助我们散列一个块。 这个函数会在我们挖矿（发现新区块）的时候用到。

  1.     static hash(block) {
  2.         // 对一个区块进行哈希:
  3.         // 现将block转换成base64
  4.         // 将得到的结果进行SHA哈希
  5.         var blockStr = JSON.stringify(block);
  6.         var blockB64 = new Buffer(blockStr).toString('base64');
  7.         var newHash = crypto.createHash('sha256');
  8.         newHash.update(blockB64);
  9.         return newHash.digest('hex');
  10.     }

此函数将一个块（一个 Javascript 对象）散列为一个字符串。 我们使用的是 crypto 工具，它已经内置在最新版本的 Node.js 中，所以我们不需要安装它。

创建新交易

接下来，我们实现创建新事务的方法。

  1.     createTransaction(sender, receiver, value) {
  2.         // 创建一个交易
  3.         // 根据提供的sender, receiver地址，以及转账的价值，建立一个交易
  4.         // 并把它加入到我们的区块链里
  5.         var transaction = {
  6.             sender: sender,
  7.             receiver: receiver,
  8.             value: value
  9.         };
  10.         this.lastBlock.transactions.push(transaction);
  11.         return this.lastBlock.id;
  12.     }

非常直观，我们只是创建了一个对象，将它添加到区块链并返回了它。

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创建一个新块

现在让我们实现创建块的代码。 当我们的区块链甚至没有区块时，我们需要创建第一个区块（创世区块）比特币几分钟产生一个区块，我们在构造函数中实现它。

  1.     constructor() {
  2.         this.chain = []; // 储存所有区块
  3.         this.difficulty = 1; // 挖矿的难度
  4.         this.chain.push(this.createBlock(1)); // 创建第一个区块
  5.     }
  7.     createBlock(previousHash = undefined) {
  8.         // 创造一个新区块
  9.         // 一开始的proof是0，不一定是有效的，所以我们需要mineProof来找到有效的proof
  10.         var block = {
  11.             timestamp: Date.now(),
  12.             id: this.chain.length,
  13.             proof: 0,
  14.             previousBlockHash: previousHash || this.constructor.hash(this.lastBlock()),
  15.             transactions: []
  16.         };
  18.         self.mineProof(block);
  19.         this.chain.push(block);
  20.     }

在创建新区块时，我们使用当前时间的时间戳，使用当前区块链的长度作为id，将初始证明设置为0（证明将在下一步中详细讨论），并转换之前的区块整体Hash并赋值给previousBlockHash。 在创建创世块时，我们将 previousBlockHash 设置为 1。为了便于理解，我们在创建新块时不附加任何交易。 实际情况是，矿工可以选择包含哪些交易，需要对这些交易进行处理比特币几分钟产生一个区块，得到一棵默克尔树。

了解挖矿：寻找有效证据

读者朋友应该听说过工作量证明。 POW 是区块链中用于创建区块的核心算法或机制。 POW本身的目的就是为了找到一个数来解决一个数学问题，而且找到这个数的难度越来越高，但是一旦找到了，就很容易证明它解决了这个数学问题。 可以很快做到。 当然，除了工作量证明，我们还有空间证明和权益证明。 在代码中，我们使用 proof 来表示我们找到的数字。 那么这道数学题到底是什么？ 让我们用一个例子来回答。

给定一个数A，我们要找到一个数B，使得Hash(A*B)的结果C的最后一位等于0。即C可以是Hash(A*B)=2ba83... 6d0，因为它的最后一位是0。如果我们用Javascript找到这个B，我们可以这样做：

  1. const crypto = require('crypto');
  2. var A = 10; // 我们给定A一个值
  3. var B = 0; // B从0开始
  4. while (true) {
  5.     var multiplied = A * B;
  6.     var hash = crypto.createHash('sha256').update(multiplied.toString()).digest('hex');
  7.     if (hash.substr(hash.length - 1) == "0") {
  8.         console.log(hash);
  9.         break;
  10.     } else {
  11.         B += 1;
  12.     }
  13. }
  14. console.log(B);

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让我们尝试在终端中运行这段代码，我们可以看到我们找到了一个满足这个条件的数字 24。

  1. node test.js
  2. 6af1f692e9496c6d0b668316eccb93276ae6b6774fa728aac31ff40a38318760
  3. 24

可以想象，如果我们要求最终哈希值的最后2位为0，甚至3位、4位，那么找到B的难度应该更高，这就是POW调整挖矿难度的方式。

实现挖矿

知道如何挖矿后，我们将上面的代码集成到我们的区块链模型中。

  1.     isProofValid(tentativeBlock) {
  2.         // 这里我们判断newProof是不是一个合法的proof的方法是
  3.         // 将整个区块进行哈希
  4.         // 如果得到的散列值指的最后n位都是0，那么这是一个valid proof
  5.         // 其中，n = difficulty
  6.         var result = this.constructor.hash(tentativeBlock);
  7.         return result.substr(result.length - this.difficulty) == '0'.repeat(this.difficulty);
  8.     }
  10.     mineProof(tentativeBlock) {
  11.         while (!this.isProofValid(tentativeBlock)) {
  12.             tentativeBlock.proof += 1; // 如果不是可用的proof，我们就接着枚举
  13.         }
  14.     }
  16.     createBlock(previousHash = undefined) {
  17.         // 创造一个新区块
  18.         // 一开始的proof是0，不一定是有效的，所以我们需要mineProof来找到有效的proof
  19.         var block = {
  20.             timestamp: Date.now(),
  21.             id: this.chain.length,
  22.             proof: 0,
  23.             previousBlockHash: previousHash || this.constructor.hash(this.lastBlock()),
  24.             transactions: []
  25.         };
  26.         self.mineProof(block);
  27.         this.chain.push(block);
  28.     }

因为我们从一开始就定义了如何散列一个块，所以我们可以在这里重用它。 至此，我们基本实现了区块链中创建区块和创建交易的功能。 整体代码贴在下面。 下一次，我们会将我们编写的区块链API化并部署到多个节点，敬请期待。

  1. 'use strict';
  2. const crypto = require('crypto');
  4. //定义一个class，叫Blockchain，每一个区块链都是这个class的实例
  5. class Blockchain {
  6.     constructor() {
  7.         this.chain = []; // 储存所有区块
  8.         this.difficulty = 1; // 挖矿的难度
  9.         this.chain.push(this.createBlock(1)); // 创建第一个区块
  10.     }
  12.     isProofValid(tentativeBlock) {
  13.         // 这里我们判断newProof是不是一个合法的proof的方法是
  14.         // 将整个区块进行哈希
  15.         // 如果得到的散列值指的最后n位都是0，那么这是一个valid proof
  16.         // 其中，n = difficulty
  17.         var result = this.constructor.hash(tentativeBlock);
  18.         return result.substr(result.length - this.difficulty) == '0'.repeat(this.difficulty);
  19.     }
  21.     mineProof(tentativeBlock) {
  22.         while (!this.isProofValid(tentativeBlock)) {
  23.             tentativeBlock.proof += 1; // 如果不是可用的proof，我们就接着枚举
  24.         }
  25.     }
  27.     createBlock(previousHash = undefined) {
  28.         // 创造一个新区块
  29.         // 一开始的proof是0，不一定是有效的，所以我们需要mineProof来找到有效的proof
  30.         var block = {
  31.             timestamp: Date.now(),
  32.             id: this.chain.length,
  33.             proof: 0,
  34.             previousBlockHash: previousHash || this.constructor.hash(this.lastBlock()),
  35.             transactions: []
  36.         };
  38.         self.mineProof(block);
  40.         this.chain.push(block);
  41.     }
  43.     createTransaction(sender, receiver, value) {
  44.         // 创建一个交易
  45.         // 根据提供的sender, receiver地址，以及转账的价值，建立一个交易
  46.         // 并把它加入到我们的区块链里
  47.         var transaction = {
  48.             sender: sender,
  49.             receiver: receiver,
  50.             value: value
  51.         };
  52.         this.lastBlock.transactions.push(transaction);
  53.         return this.lastBlock.id;
  54.     }
  56.     static hash(block) {
  57.         // 对一个区块进行哈希:
  58.         // 现将block 转换成base64
  59.         // 将得到的结果进行SHA哈希
  60.         var blockStr = JSON.stringify(block);
  61.         var blockB64 = new Buffer(blockStr).toString('base64');
  62.         var newHash = crypto.createHash('sha256');
  63.         newHash.update(blockB64);
  64.         return newHash.digest('hex');
  65.     }
  67.     lastBlock() {
  68.         // 取得链上的最后一个区块
  69.         return this.chain[this.chain.length - 1];
  70.     }
  71. }

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