Part 1: 基本原型

引言

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出来。 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，基于它来构建简化版的加密货币。

区块

让我们从 “区块链” 中的 “区块” 谈起。在区块链中，存储有效信息的是区块。比如，比特币区块存储的有效信息，就是比特币交易，交易信息也是所有加密货币的本质。除此以外，区块还包含了一些技术信息，比如版本，当前时间戳和前一个区块的哈希。

• Timestamp 是当前时间戳，也就是区块创建的时间。
• Data 是区块存储的实际有效的信息。
• PrevBlockHash 存储的是前一个块的哈希。
• Hash 是当前块的哈希。

在比特币技术规范中，Timestamp, PrevBlockHash, Hash 是区块头（block header），区块头是一个单独的数据结构。而交易，也就是这里的 Data, 是另一个单独的数据结构。为了简便起见，我把这两个混合在了一起。

那么，我们要如何计算哈希呢何计算哈希，是区块链一个非常重要的部分。正是由于这个特性，才使得区块链是安全的。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，也要花费不少时间 (这就是为什么人们会购买 GPU 来挖比特币) 。这是一个有意为之的架构设计，它故意使得加入新的区块十分困难，因此可以保证区块一旦被加入以后，就很难再进行修改。在本系列未来几篇文章中，我们将会讨论和实现这个机制。

目前，我们仅取了 Block 结构的一些字段（Timestamp, Data 和 PrevBlockHash），并将它们相互连接起来，然后在连接后的结果上计算一个 SHA-256 的哈希. 让我们在方法中完成这个任务：

接下来，按照 Golang 的惯例，我们会实现一个用于简化创建一个区块的函数：

这就是区块部分的全部内容了！

区块链

下面让我们来实现一个区块链。本质上，区块链仅仅是一个有着特定结构的数据库，是一个有序，后向连接的列表。这也就是说，区块按照插入的顺序进行存储，每个块都被连接到前一个块。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 hask -> 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。

这就是我们的第一个区块链！我从来没有想过它会是这么容易。

现在，让我们能够给它添加一个块：

完成！不过，真的就这样了吗/p>

为了加入一个新的块，我们必须要有一个已有的块，但是，现在我们的链是空的，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。这样的块，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一个创世块：

现在，我们可以实现一个函数来创建有创世块的区块链：

来检查一个我们的区块链是否如期工作：

输出：

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，而且很快，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，区块链是一个没有单一决策者的分布式数据库。因此，一个新的块必须要被 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！

在接下来的文章的我们将会一一覆盖这些特性。

1. 区块哈希算法：https://en.bitcoin.it/wiki/Block_hashing_algorithm

Part 2: 工作量证明

在 前面一文 中，我们构造了一个非常简单的数据结构，这个数据结构也是整个区块链数据库的核心。目前所完成的区块链原型，已经可以通过链式关系把区块相互关联起来：每个块都被连接到前一个块。

工作量证明

区块链的一个关键点就是，一个人必须经过一系列困难的工作，才能将数据放入到区块链中。正是这种困难的工作，才使得区块链是安全和一致的。此外，完成这个工作的人也会获得奖励（这也就是通过挖矿获得币）。

这个机制与生活的一个现象非常类似：一个人必须通过努力工作，才能够获得回 或者奖励，用以支撑他们的生活。在区块链中，是通过 络中的参与者（矿工）不断的工作来支撑整个 络，也就是矿工不断地向区块链中加入新块，然后获得相应的奖励。作为他们努力工作的结果，新生成的区块就能够被安全地被加入到区块链中，这种机制维护了整个区块链数据库的稳定性。值得注意的是，完成了这个工作的人必须要证明这一点，他必须要证明确实是他完成了这些工作。

整个 “努力工作并进行证明” 的机制，就叫做工作量证明（proof-of-work）。要想完成工作非常地不容易，因为这需要大量的计算能力：即便是高性能计算机，也无法在短时间内快速完成。此外，这个工作的困难度会随着时间不断增长，以保持每个小时大概出 6 个新块的速度。在比特币中，这个工作的目的是为了找到一个块的哈希，同时这个哈希满足了一些必要条件。这个哈希，也就充当了证明的角色。因此，寻求证明（寻找有效哈希），就是实际要做的事情。

哈希计算

在本节中，我们会讨论哈希计算。如果你已经熟悉了这个概念，可以跳过这一节。

获得指定数据的一个哈希值的过程，就叫做哈希计算。一个哈希，就是对所计算数据的一个唯一的表示。一个哈希函数输入任意大小的数据，输出一个固定大小的哈希值。下面是哈希的几个关键特性：

1. 无法从一个哈希值恢复原始数据。也就是说，哈希并不是加密。
2. 对于特定的数据，只能有一个哈希，并且这个哈希是唯一的。
3. 即使是仅仅改变输入数据中的一个字节，也会导致输出一个完全不同的哈希。

在区块链中，哈希被用于保证一个块的一致性。哈希算法的输入数据包含了前一个块的哈希，因此使得不太可能（或者，至少很困难）去修改链中的一个块：因为如果一个人想要修改前面一个块的哈希，那么他必须要重新计算这个块以及后面所有块的哈希。

Hashcash

比特币使用 Hashcash ，一个最初用来防止垃圾邮件的工作量证明算法。它可以被分解为以下步骤：

1. 取一些公开的数据（比如，如果是 email 的话，它可以是接收者的邮件地址；在比特币中，它是区块头）
2. 给这个公开数据添加一个计数器。计数器默认从 0 开始
3. 将 data(数据) 和 counter(计数器) 组合到一起，获得一个哈希
4. 检查哈希是否符合一定的条件： 1.如果符合条件，结束 2.如果不符合，增加计数器，重复步骤 3-4

因此，这是一个暴力算法：改变计数器，计算一个新的哈希，检查，增加计数器，计算一个哈希，检查，如此反复。这也是为什么说它是在计算上是非常昂贵的，因为这一步需要如此反复不断地计算和检查。

现在，让我们来仔细看一下一个哈希要满足的必要条件。在原始的 Hashcash 实现中，它的要求是 “一个哈希的前 20 位必须是 0”。在比特币中，这个要求会随着时间而不断变化。因为按照设计，必须保证每 10 分钟生成一个块，而不论计算能力会随着时间增长，或者是会有越来越多的矿工进入 络，所以需要动态调整这个必要条件。

为了阐释这一算法，我从前一个例子（“I like donuts”）中取得数据，并且找到了一个前 3 个字节是全是 0 的哈希。

ca07ca 是计数器的 16 进制值，十进制的话是 13240266.

实现

好了，完成了理论层面，来开始写代码吧！首先，定义挖矿的难度值：

在比特币中，当一个块被挖出来以后，“target bits” 代表了区块头里存储的难度。这里的 24 指的是算出来的哈希前 24 位必须是 0，用 16 进制表示化的话，就是前 6 位必须是 0，这一点可以在最后的输出可以看出来。目前不会实现一个动态调整目标的算法，所以将难度定义为一个全局的常量即可。

24 其实是一个可以任意取的数字，目的是要有一个目标（target）而已，这个目标占据不到 256 位的内存空间。同时，我们想要有足够的差异性，但是又不至于大的过分，因为差异性越大，就越难找到一个合适的哈希。

这里，我们构造了 ProofOfWork 结构，里面存储了指向一个块和一个目标的指针。“目标” ，也就是前一节中所描述的必要条件。这里使用了一个 大 整数，我们将哈希与目标进行比较：先把一个哈希转换成一个大整数，然后检测它是否小于目标。

在** NewProofOfWork** 函数中，我们将** big.Int** 初始化为 1，然后左移 位。256 是一个 SHA-256 哈希的位数，我们将要使用的是 SHA-256 哈希算法。target（目标） 的 16 进制形式为：

它在内存上占据了 29 个字节。下面是与前面例子哈希的形式化比较：

第一个哈希（基于 “I like donuts” 计算）比目标要大，因此它并不是一个有效的工作量证明。第二个哈希（基于 “I like donutsca07ca” 计算）比目标要小，所以是一个有效的证明。