Github上有一个Repo,是一个使用Go语言(golang),不到200行代码些的区块链源代码,准确的说是174行。原作者起了个名字是 Code your own blockchain in less than 200 lines of Go! 而且作者也为此写了一篇文章。 https://medium.com/@mycoralhealth/code-your-own-blockchain-in-less-than-200-lines-of-go-e296282bcffc

这篇文章是一个大概的思路和代码的实现,当然还有很多代码的逻辑没有涉及,所以我就针对这不到200行的代码进行一个分析,包含原文章里没有涉及到的知识点,对Go语言,区块链都会有一个更深的认识。

所有的源代码都在这里: https://github.com/nosequeldeebee/blockchain-tutorial/blob/master/main.go

import (
	"crypto/sha256"
	"encoding/hex"
	"encoding/json"
	"io"
	"log"
	"net/http"
	"os"
	"strconv"
	"sync"
	"time"

	"github.com/davecgh/go-spew/spew"
	"github.com/gorilla/mux"
	"github.com/joho/godotenv"
)

在源代码的开头,是作者引入的一些包,有标准的,也有第三方的。像sha256,hex这些标准包是为了sha-256编码用的,其他还有启动http服务,打印日志的log,并发控制的sync,时间戳的time。

第三方包有三个,其中两个我都详细介绍过,相信大家不会陌生。

go-spew是一个变量结构体的调试利器,可以打印出变量结构体对应的数据和结构,调试非常方便,详细深入了解可以参考我这篇文章。Go语言经典库使用分析(八)| 变量数据结构调试利器 go-spew

gorilla/mux是一个web路由服务,可以很简单的帮我们构建web服务。以前我深入分析过gorilla/handler,他们都是一家出产整体思路差不多,可以参考下。 Go语言经典库使用分析(三)| Gorilla Handlers 详细介绍

不过目前用gin的比较多,也推荐使用gin https://github.com/gin-gonic/gin

godotenv是一个读取配置文章的库,可以让我们读取.env格式的配置文件,比如从配置文件里读取IP、PORT等新。不过目前配置文件还是推荐YAML和TOML,对应的第三方库是:

gopkg.in/yaml.v21 https://github.com/BurntSushi/toml

TOML是我的最爱。关于Go工具包管理等知识可以参考我这篇 Go语言实战笔记(一)| Go包管理

既然要写一个区块链,那么肯定的有一个区块的实体,我们通过golang的struct来实现。

// Block represents each 'item' in the blockchain
type Block struct {
	Index     int
	Timestamp string
	BPM       int
	Hash      string
	PrevHash  string
}

Block里包含几个字段:

  1. Index 就是Block的顺序索引
  2. Timestamp是生成Block的时间戳
  3. BPM,作者说代表心率,每分钟心跳数
  4. Hash是通过sha256生成的散列值,对整个Block数据的Hash
  5. PrevHash 上一个Block的Hash,这样区块才能连在一起构成区块链

这段代码涉及到的是Struct的只是,具体可以参考我这篇文章Go语言实战笔记(七)| Go 类型

有了区块Block了,那么区块链就非常好办了。

// Blockchain is a series of validated Blocks
var Blockchain []Block

就是这么简单,一个Block数组就是一个区块链。区块链的构成关键在于Hash和PrevHash,通过他们一个个串联起来,就是一串Block,也就是区块链。因为相互之间通过Hash和PrevHash进行关联,所以整个链很难被篡改,链越长被篡改的成本越大,因为要把整个链全部改掉才能完成篡改的目的,这样的话,其他节点验证这次篡改肯定是不能通过的。

既然关键点在于Hash,所以我们要先算出来一个Block的数据的Hash,也就是对Block里的字段进行Hash,计算出一个唯一的Hash值。

// SHA256 hasing
func calculateHash(block Block) string {
	record := strconv.Itoa(block.Index) + block.Timestamp + strconv.Itoa(block.BPM) + block.PrevHash
	h := sha256.New()
	h.Write([]byte(record))
	hashed := h.Sum(nil)
	return hex.EncodeToString(hashed)
}

sha256是golang内置的sha256的散列标准库,可以让我们很容易的生成对应数据的散列值。从源代码看,是把Block的所有字段进行字符串拼接,然后通过sha256进行散列,散列的数据再通过hex.EncodeToString转换为16进制的字符串,这样就得到了我们常见的sha256散列值,类似这样的字符串8d969eef6ecad3c29a3a629280e686cf0c3f5d5a86aff3ca12020c923adc6c92

Block的散列值被我们计算出来了,Block的Hash和PrevHash这两个字段搞定了,那么我们现在就可以生成一个区块了,因为其他几个字段都是可以自动生成的。

// create a new block using previous block's hash
func generateBlock(oldBlock Block, BPM int) Block {

	var newBlock Block

	t := time.Now()

	newBlock.Index = oldBlock.Index + 1
	newBlock.Timestamp = t.String()
	newBlock.BPM = BPM
	newBlock.PrevHash = oldBlock.Hash
	newBlock.Hash = calculateHash(newBlock)

	return newBlock
}

因为区块链是顺序相连的,所以我们在生成一个新的区块的时候,必须知道上一个区块,也就是源代码里的oldBlock。另外一个参数BPM就是我们需要在区块里存储的数据信息了,这里作者演示的例子是心率,我们可以换成其他业务中想要的数据。

Index是上一个区块的Index+1,保持顺序;Timestamp通过time.Now()可以得到;Hash通过calculateHash方法计算出来。这样我们就生成了一个新的区块。

在这里作者并没有使用POW(工作量证明)这类算法来生成区块,而是没有任何条件的,这里主要是为了模拟区块的生成,演示方便。

区块可以生成了,但是生成的区块是否可信,我们还得对他进行校验,不能随便生成一个区块。在比特币(BitCoin)中校验比较复杂,这里作者采用了简单模拟的方式。

// make sure block is valid by checking index, and comparing the hash of the previous block
func isBlockValid(newBlock, oldBlock Block) bool {
	if oldBlock.Index+1 != newBlock.Index {
		return false
	}

	if oldBlock.Hash != newBlock.PrevHash {
		return false
	}

	if calculateHash(newBlock) != newBlock.Hash {
		return false
	}

	return true
}

简单的对比Index,Hash是否是正确的,并且重新计算了一遍Hash,防止被篡改。

到了这里,关于区块链的代码已经全部完成了,剩下的就是把区块链的生成、查看等包装成一个Web服务,可以通过API、浏览器访问查看。因为作者这里没有实现P2P网络,所以采用的是WEB服务的方式。

// create handlers
func makeMuxRouter() http.Handler {
	muxRouter := mux.NewRouter()
	muxRouter.HandleFunc("/", handleGetBlockchain).Methods("GET")
	muxRouter.HandleFunc("/", handleWriteBlock).Methods("POST")
	return muxRouter
}

通过mux定义了两个Handler,URL都是/,但是对应的Method是不一样的。

GET方法通过handleGetBlockchain函数实现,用于获取区块链的信息。

func handleGetBlockchain(w http.ResponseWriter, r *http.Request) {
	bytes, err := json.MarshalIndent(Blockchain, "", "  ")
	if err != nil {
		http.Error(w, err.Error(), http.StatusInternalServerError)
		return
	}
	io.WriteString(w, string(bytes))
}

Blockchain是一个[]BlockhandleGetBlockchain函数的作用是把Blockchain格式化为JSON字符串,然后显示出来。io.WriteString是一个很好用的函数,可以往Writer里写入字符串。更多参考 Go语言实战笔记(十九)| Go Writer 和 Reader

‘POST’方法通过handleWriteBlock函数实现,用于模拟区块的生成。

func handleWriteBlock(w http.ResponseWriter, r *http.Request) {
	w.Header().Set("Content-Type", "application/json")
	
	//使用了一个Mesage结构体,更方便的存储BPM
	var msg Message

    //接收请求的数据信息,类似{"BPM":60}这样的格式
	decoder := json.NewDecoder(r.Body)
	if err := decoder.Decode(&msg); err != nil {
		respondWithJSON(w, r, http.StatusBadRequest, r.Body)
		return
	}
	defer r.Body.Close()

    //控制并发,生成区块链,并且校验
	mutex.Lock()
	prevBlock := Blockchain[len(Blockchain)-1]
	newBlock := generateBlock(prevBlock, msg.BPM)

    //校验区块链
	if isBlockValid(newBlock, prevBlock) {
		Blockchain = append(Blockchain, newBlock)
		spew.Dump(Blockchain)
	}
	mutex.Unlock()

    //返回新的区块信息
	respondWithJSON(w, r, http.StatusCreated, newBlock)

}

以上代码我进行了注释,便于理解。主要是通过POST发送一个{"BPM":60}格式的BODY来添加区块,如果格式正确,那么就生成区块进行校验,合格了就加入到区块里;如果格式不对,那么返回错误信息。

用于控制并发的锁可以参考Go语言实战笔记(十七)| Go 读写锁

这个方法里有个Message结构体,主要是为了便于操作方便。

// Message takes incoming JSON payload for writing heart rate
type Message struct {
	BPM int
}

返回的JSON信息,也被抽取成了一个函数respondWithJSON,便于公用。

func respondWithJSON(w http.ResponseWriter, r *http.Request, code int, payload interface{}) {
	response, err := json.MarshalIndent(payload, "", "  ")
	if err != nil {
		w.WriteHeader(http.StatusInternalServerError)
		w.Write([]byte("HTTP 500: Internal Server Error"))
		return
	}
	w.WriteHeader(code)
	w.Write(response)
}

好了,快完成了,以上Web的Handler已经好了,现在我们要启动我们的Web服务了。

// web server
func run() error {
	mux := makeMuxRouter()
	//从配置文件里读取监听的端口
	httpPort := os.Getenv("PORT")
	log.Println("HTTP Server Listening on port :", httpPort)
	s := &http.Server{
		Addr:           ":" + httpPort,
		Handler:        mux,
		ReadTimeout:    10 * time.Second,
		WriteTimeout:   10 * time.Second,
		MaxHeaderBytes: 1 << 20,
	}

	if err := s.ListenAndServe(); err != nil {
		return err
	}

	return nil
}

和原生的http.Server基本一样,应该比较好理解。mux其实也是一个Handler,这就是整个Handler处理链。现在我们就差一个main主函数来启动我们整个程序了。

//控制并发的锁
var mutex = &sync.Mutex{}

func main() {
    //加载env配置文件
	err := godotenv.Load()
	if err != nil {
		log.Fatal(err)
	}

    //开启一个goroutine生成一个创世区块
	go func() {
		t := time.Now()
		genesisBlock := Block{}
		genesisBlock = Block{0, t.String(), 0, calculateHash(genesisBlock), ""}
		spew.Dump(genesisBlock)

		mutex.Lock()
		Blockchain = append(Blockchain, genesisBlock)
		mutex.Unlock()
	}()
	log.Fatal(run())

}

整个main函数并不太复杂,主要就是加载env配置文件,开启一个go协程生成一个创世区块并且添加到区块链的第一个位置,然后就是通过run函数启动Web服务。

然和一个区块链都有一个创世区块,也就是第一个区块。有了第一个区块我们才能添加第二个,第三个,第N个区块。创世区块因为是第一个区块,所以它是没有PrevHash的。

终于可以运行了,假设我们设置的PORT是8080,现在我们通过go run main.go启动这个简易的区块链程序,就可以看到控制台输出的创世区块信息。然后我们通过浏览器打开http://localhost:8080也可以看到这个区块链的信息,里面只有一个创世区块。

如果我们要新增一个区块,通过curl或者postman,向http://localhost:8080 发送body格式为{"BPM":60}的POST的信息即可。然后在通过浏览器访问http://localhost:8080查看区块链信息,验证是否已经添加成功。

到这里,整个源代码的分析已经完了,我们看下这个简易的区块链涉及到多少知识:

  1. sha256散列
  2. 字节到16进制转换
  3. 并发同步锁
  4. Web服务
  5. 配置文件
  6. 后向式链表
  7. 结构体
  8. JSON
  9. ……

等等,上面的很多知识,我已经在文章中讲解或者通过以前些的文章说明,大家可以看一下,详细了解。

区块链作为一个新的分布式数据存储技术,在追踪,信用,防篡改等方便肯定可以发挥更大的作用,当然这也是一个不错的机会,这里推荐基本不错的书籍,可以更好的了解和深入学习区块链。

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