區塊鏈技術基本架構原理：從「區塊」談起

最新 04-15

區塊鏈領域，鏈神探很專註

財經365訊（編輯章馨），區塊鏈是21世紀最具革命性的技術之一，它仍然處於不斷成長的階段，而且還有很多潛力尚未顯現。本質上，區塊鏈只是一個分散式資料庫而已。不過，使它獨一無二的是，區塊鏈是一個公開的資料庫，而不是一個私人資料庫，也就是說，每個使用它的人都有一個完整或部分的副本。只有經過其他「資料庫管理員」的同意，才能向資料庫中添加新的記錄。此外，也正是由於區塊鏈，才使得加密貨幣和智能合約成為現實。

區塊

首先從「區塊」談起。在區塊鏈中，真正存儲有效信息的是區塊（block）。而在比特幣中，真正有價值的信息就是交易（transaction）。實際上，交易信息是所有加密貨幣的價值所在。除此以外，區塊還包含了一些技術實現的相關信息，比如版本，當前時間戳和前一個區塊的哈希。

不過，我們要實現的是一個簡化版的區塊鏈，而不是一個像比特幣技術規範所描述那樣成熟完備的區塊鏈。所以在我們目前的實現中，區塊僅包含了部分關鍵信息，它的數據結構如下：

我們這裡的 Timestamp，PrevBlockHash, Hash，在比特幣技術規範中屬於區塊頭（block header），區塊頭是一個單獨的數據結構。完整的比特幣的區塊頭（block header）結構如下：

下面是比特幣的 golang 實現 btcd 的 BlockHeader 定義:

// 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 imited to 2106.

Timestamp time.Time // Difficulty target for the block.

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

而我們的 Data, 在比特幣中對應的是交易，是另一個單獨的數據結構。為了簡便起見，目前將這兩個數據結構放在了一起。在真正的比特幣中，區塊的數據結構如下：

在我們的簡化版區塊中，還有一個 Hash 欄位，那麼，要如何計算哈希呢？哈希計算，是區塊鏈技術一個非常重要的部分。正是由於它，才保證了區塊鏈的安全。計算一個哈希，是在計算上非常困難的一個操作。即使在高速電腦上，也要耗費很多時間 (這就是為什麼人們會購買 GPU，FPGA，ASIC 來挖比特幣) 。這是一個架構上有意為之的設計，它故意使得加入新的區塊十分困難，繼而保證區塊一旦被加入以後，就很難再進行修改。在接下來的內容中，我們將會討論和實現這個機制。

目前，我們僅取了 Block 結構的部分欄位（Timestamp, Data 和 PrevBlockHash），並將它們相互拼接起來，然後在拼接後的結果上計算一個 SHA-256，然後就得到了哈希。

Hash = SHA256(PrevBlockHash + Timestamp + Data)

在 SetHash 方法中完成這些操作：

func (b *Block) SetHash() {

timestamp := []byte(strconv.FormatInt(b.Timestamp, 10))

headers := bytes.Join([][]byte, []byte{})

hash := sha256.Sum256(headers)

b.Hash = hash[:]}

接下來，按照 Golang 的慣例，我們會實現一個用於簡化創建區塊的函數 NewBlock：

func NewBlock(data string, prevBlockHash []byte) *Block {

block := &Block} block.SetHash()

return block}

區塊鏈

有了區塊，下面讓我們來實現區塊鏈。本質上，區塊鏈就是一個有著特定結構的資料庫，是一個有序，每一個塊都連接到前一個塊的鏈表。也就是說，區塊按照插入的順序進行存儲，每個塊都與前一個塊相連。這樣的結構，能夠讓我們快速地獲取鏈上的最新塊，並且高效地通過哈希來檢索一個塊。

在 Golang 中，可以通過一個 array 和 map 來實現這個結構：array 存儲有序的哈希（Golang 中 array 是有序的），map 存儲 hash -> block 對(Golang 中, map 是無序的)。但是在基本的原型階段，我們只用到了 array，因為現在還不需要通過哈希來獲取塊。

type Blockchain struct { blocks []*Block}

這就是我們的第一個區塊鏈！是不是出乎意料地簡單? 就是一個 Block 數組。

現在，讓我們能夠給它添加一個區塊：

func (bc *Blockchain) AddBlock(data string) {

prevBlock := bc.blocks[len(bc.blocks)-1]

newBlock := NewBlock(data, prevBlock.Hash)

bc.blocks = append(bc.blocks, newBlock)}

結束！不過，就這樣就完成了嗎？

為了加入一個新的塊，我們必須要有一個已有的塊，但是，初始狀態下，我們的鏈是空的，一個塊都沒有！所以，在任何一個區塊鏈中，都必須至少有一個塊。這個塊，也就是鏈中的第一個塊，通常叫做創世塊（genesis block）. 讓我們實現一個方法來創建創世塊：

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

現在，我們可以實現一個函數來創建有創世塊的區塊鏈：

func NewBlockchain() *Blockchain {

return &Blockchain{[]*Block}}

檢查一個我們的區塊鏈是否如期工作：

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
", block.PrevBlockHash)

fmt.Printf("Data: %s
", block.Data)

fmt.Printf("Hash: %x
", block.Hash)

fmt.Println()

}}

輸出：

Prev. hash:

Data: Genesis Block

Data: Send 1 BTC to Ivan

Hash: d75ce22a840abb9b4e8fc3b60767c4ba3f46a0432d3ea15b71aef9fde6a314e1

Prev. hash: d75ce22a840abb9b4e8fc3b60767c4ba3f46a0432d3ea15b71aef9fde6a314e1

Data: Send 2 more BTC to Ivan

總結

我們創建了一個非常簡單的區塊鏈原型：它僅僅是一個數組構成的一系列區塊，每個塊都與前一個塊相關聯。真實的區塊鏈要比這複雜得多。在我們的區塊鏈中，加入新的塊非常簡單，也很快，但是在真實的區塊鏈中，加入新的塊需要很多工作：你必須要經過十分繁重的計算（這個機制叫做工作量證明），來獲得添加一個新塊的權力。並且，區塊鏈是一個分散式資料庫，並且沒有單一決策者。因此，要加入一個新塊，必須要被網路的其他參與者確認和同意（這個機制叫做共識（consensus））。還有一點，我們的區塊鏈還沒有任何的交易！

進入 src 目錄查看代碼，執行 make 即可運行：

$ cd src

$ make==> Go build==> Running

Prev hash:

Data: Genesis Block

Data: Send 1 BTC to Ivan

Hash: 839380a2d0af1dc4686f16ade5423fecdc5f287db9322d9e18adcb4071e7c8ff

Prev hash: 839380a2d0af1dc4686f16ade5423fecdc5f287db9322d9e18adcb4071e7c8ff

Data: Send 2 more BTC to Ivan

Hash: b38052a029bd2b1b9d4bb478af45b4c88605e99bc64e49031ba06d21ad4b0b38。關於區塊鏈技術更多相關新聞資訊，請關注財經365外匯頻道！

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