摘要
本文构建了一个使用工作量证明机制(POW)的类BTC的区块链。将区块链持久化到一个Bolt数据库中,然后会提供一个简单的命令行接口,用来完成一些与区块链的交互操作。这篇文章目的是希望帮助大家理解BTC源码的架构,所以主要专注于的实现原理及存储上,暂时忽略了 “分布式” 这个部分。严格来说还不能算是一个完全意义上的区块链系统。
开发环境
语言:GO;
数据库:BoltDB;
IDE: Goland或其他工具都可以;
系统:不限,本文使用windows。
BoltDB数据库
实际上,选择任何一个数据库都可以,本文先用的是BoltDB。在比特币白皮书中,并没有提到要使用哪一个具体的数据库,它完全取决于开发者如何选择。现在是比特币的一个参考实现,Bitcoin core使用的是是LevelDB。
BoltDB安装及使用可以参考《BoltDB简单使用教程》。
BoltDB有如下优点:
- 非常简单和简约
- 用 Go 实现
- 不需要运行一个服务器
- 能够允许我们构造想要的数据结构
由于 Bolt 意在用于提供一些底层功能,简洁便成为其关键所在。它的API 并不多,并且仅关注值的获取和设置。仅此而已。
Bolt 使用键值存储,数据被存储为键值对(key-value pair,就像 Golang 的 map)。键值对被存储在 bucket 中,这是为了将相似的键值对进行分组(类似 RDBMS 中的表格)。因此,为了获取一个值,你需要知道一个 bucket 和一个键(key)。
注意:Bolt 数据库没有数据类型:键和值都是字节数组(byte array)。鉴于需要在里面存储 Go 的结构(准确来说,也就是存储(块)Block),我们需要对它们进行序列化,也就说,实现一个从 Go struct 转换到一个 byte array 的机制,同时还可以从一个 byte array 再转换回 Go struct。虽然我们将会使用 encoding/gob 来完成这一目标,但实际上也可以选择使用 JSON, XML, Protocol Buffers 等等。之所以选择使用 encoding/gob, 是因为它很简单,而且是 Go 标准库的一部分。
区块链原型的函数架构

系统实现
1.区块文件block.go
该部分主要包括:
对区块结构的定义;创建区块的方法NewBlock();区块的序列化Serialize()与反序列化Deserialize()函数;以及创世区块的生成NewGenesisBlock()。
- //定义一个区块的结构Block
- type Block struct {
- //版本号
- Version int64
- //父区块头哈希值
- PreBlockHash []byte
- //当前区块的Hash值, 为了简化代码
- Hash []byte
- //Merkle根
- MerkleRoot []byte
- //时间戳
- TimeStamp int64
- //难度值
- Bits int64
- //随机值
- Nonce int64
- //交易信息
- Data []byte
- }
- //提供一个创建区块的方法
- 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 序列化为一个字节数组
- func (block *Block) Serialize() []byte {
- var buffer bytes.Buffer
- encoder := gob.NewEncoder(&buffer)
- err := encoder.Encode(block)
- CheckErr("Serialize", err)
- return buffer.Bytes()
- }
- // 将字节数组反序列化为一个 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
- }
- //创世块
- func NewGenesisBlock() *Block {
- return NewBlock("Genesis Block", []byte{})
- }
2.区块链blockChain.go
该部分内容主要包括:
我们希望
NewBlockchain实现的功能有
:
- 打开一个数据库文件
- 检查文件里面是否已经存储了一个区块链
- 如果已经存储了一个区块链:
- 创建一个新的
Blockchain
实例
- 设置
Blockchain
实例的 tip 为数据库中存储的最后一个块的哈希
- 如果没有区块链:
- 创建创世块
- 存储到数据库
- 将创世块哈希保存为最后一个块的哈希
- 创建一个新的
Blockchain
实例,初始时 tail 指向创世块( tail存储的是最后一个块的哈希值)
- 提供一个添加区块的方法AddBlock(data string);
- 迭代器对区块进行遍历。
- const dbFile = "blockchain.db"
- const blocksBucket = "bucket"
- const lastHashKey = "key"
-
- //定义一个区块链结构BlockChain
- type BlockChain struct {
- //blocks []*Block
- //数据库的操作句柄
- db *bolt.DB
- //tail尾巴,表示最后一个区块的哈希值
- //在链的末端可能出现短暂分叉的情况,所以选择tail其实也就是选择了哪条链
- tail []byte
- }
- //提供一个创建BlockChain的方法
- func NewBlockChain() *BlockChain {
- // 打开一个 BoltDB 文件
- //func Open(path string, mode os.FileMode, options *Options) (*DB, error)
- db, err := bolt.Open(dbFile, 0600, nil)
- //utils中的校验函数,校验错误
- CheckErr("NewBlockChain1", err)
- var lastHash []byte
- err = db.Update(func(tx *bolt.Tx) error {
- bucket := tx.Bucket([]byte(blocksBucket))
- // 如果数据库中不存在bucket,要去创建创世区块,将数据填写到数据库的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 {
- //直接读取最后区块的哈希值
- lastHash = bucket.Get([]byte(lastHashKey))
- }
- return nil
- })
- CheckErr("db.Update", err)
- return &BlockChain{db, lastHash}
- }
- //提供一个添加区块的方法
- 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)
- }
- //迭代器,就是一个对象,它里面包含了一个游标,一直向前/后移动,完成整个容器的遍历
- type BlockChainIterator struct {
- currentHash []byte
- db *bolt.DB
- }
- //创建迭代器,同时初始化为指向最后一个区块
- func (bc *BlockChain) NewIterator() *BlockChainIterator {
- return &BlockChainIterator{bc.tail, bc.db}
- }
- // 返回链中的下一个块
- 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.工作量证明机制POW.go
该部分主要包括:
创建POW的方法NewProofOfWork(block *Block) ;
计算哈希值的方法 Run() (int64, []byte);
- //定义一个工作量证明的结构ProofOfWork
- type ProofOfWork struct {
- block *Block
- //目标值
- target *big.Int
- }
- //难度值常量
- const targetBits = 20
-
- //创建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
- }
- //给Run()准备数据
- func (pow *ProofOfWork) PrepareData(nonce int64) []byte {
- block := pow.block
- tmp := [][]byte{
- /*
- 需要将block中的不同类型都转化为byte,以便进行连接
- */
- 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
- }
- //计算哈希值的方法
- func (pow *ProofOfWork) Run() (int64, []byte) {
- /*伪代码
- for nonce {
- hash := sha256(block数据 + nonce)
- if 转换(Hash)< pow.target{
- 找到了
- }else{
- nonce++
- }
- }
- return nonce,hash{:}
- */
- //1.拼装数据
- //2.哈希值转成big.Int类型
- 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[:]
- }
- //校验函数
- 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.命令函交互CLI.go
注意这部分需要使用标准库里面的 flag 包来解析命令行参数;
首先,创建两个子命令: addblock
和 printchain
, 然后给 addblock
添加 --data
标志。printchain
没有标志;
然后,检查用户输入的命令并解析相关的 flag
子命令;
最后检查解析是哪一个子命令,并调用相关函数执行。
具体如下:
- //因为是多行的,所以用反引号`···`包一下,可以实现多行字符串的拼接,不需要转义!
- //命令行提示
- 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"
-
- //输出提示函数
- func (cli *CLI) printUsage() {
- fmt.Println("Invalid input!")
- fmt.Println(usage)
- os.Exit(1)
- }
- //参数检查函数
- 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:
- //添加动作
- 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:
- //打印输出
- err := printChainCmd.Parse(os.Args[2:])
- CheckErr("Run()2", err)
- if printChainCmd.Parsed() {
- cli.PrintChain()
- }
- default:
- //命令不符合规定,输出提示信息
- cli.printUsage()
- }
- }
区块链操作演示效果:
首先 go build 编译程序;输入不带--data参数的错误命令,查看提示。

输入交易信息,查看pow运算:

打印区块链已有区块信息:

Reference:
最后要感谢Ivan Kuznetsov在GitHub社区的贡献!