最简区块链Demo | 基于NodeJS实现移动端区块链公有链

前言

注：文末有源码地址

"凡是可以用 JavaScript 来写的应用，最终都会用 JavaScript 来写。" ——Atwood定律

【本文重心】： 如何以最简代码打造一款区块链，基于NodeJS如何开发一款区块链公有链

本文将以解读源码的形式，让你有如下收获：

• 本文最终完成的效果是怎样的？
• 区块链中的区块是什么意思？
• 区块是如何构成区块链的？
• 最终实现上述功能的代码有多简洁？
• 如何基于NodeJS开发区块链？

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最终效果

1. 如果你想立即看到效果，请按照文末的实践步骤（仅需三步），你将基于NodeJS开发你的第一款区块链可视化的应用。

即： 每隔2秒，一个新的区块被挖出，并缀连到前一个区块的尾部，如此形成区块链，同时打印出来。

 

每隔2秒，一个区块被挖出来

2. 如果你想了解如何从零开始，下面将带你手把手，一步一步实现上述效果

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正文 - 源码详解

一. 区块链中的区块什么意思，如何创建一个区块？

class Block {
  /**
   * 构造函数
   * @param {Number} height 
   * @param {String} previousHash 
   * @param {Number} timestamp 
   * @param {*} data 
   * @param {String} hash 
   */
  constructor(height, previousHash, timestamp, data, hash) {
    this.height = height
    this.previousHash = previousHash + ''
    this.timestamp = timestamp
    this.data = data
    this.hash = hash + ''
  }

  //根据上一个区块生成下一个区块
  static generateBlock(blockData, previousBlock) {
    const nextHeight = previousBlock.height + 1;
    const nextTimeStamp = new Date().getTime();
    const nextHash = CryptoJS.SHA256(nextHeight + previousBlock.hash + nextTimeStamp + blockData) + ''; 
    return new Block(nextHeight, previousBlock.hash, nextTimeStamp, blockData, nextHash);    
  }
}

如上所见，区块的数据结构主要由以下几个字段：

• height : 当前这个区块的高度（所谓的高度，就是这个区块被挖出来的顺序，第一个，第二个...）
• previousHash: 前一个区块的hash（你可以简单认为hash就是一个类似身份证号的唯一识别码）
• timestamp: 即当前时间戳（用来指明当前高度的区块被挖出的时间）
• data: 区块除了上述区块头中的字段之外，在区块体中需要存放这一小段时间内该链上的事件/交易，这些事件/交易放在data字段中，当该区块被添加到区块链上之后，这些事件、交易就跟着区块被写入了区块链，从此具有了可追溯，不可篡改等特性
• hash：即当前区块将所有的区块头和区块体的数据打包后，计算出的一个唯一识别码。

三. 上述生成的区块如何构成区块链的？

其实根据上述区块间缀连的关系，已经知道了区块通过hash前后相连，逐步形成了区块链。

下面通过源码解读，区块间如何通过hash相连，又有哪些需要注意的地方？

这就是一个区块链最简最朴实无华且枯燥的样子：

class BlockChain {
  constructor() {
    this.blocks = [];
  }
}

现在我希望将一个有一个的区块逐步缀连到前一个区块上，即用previousHash字段指明前一区块是谁！那么问题来了，第一个区块的previousHash是什么？也就是第一个区块该跟在谁后面？此刻什么都没有，难道跟着上帝么？

没错！就是跟着上帝！即区块链中的上帝，也就是固化在源码中，所谓的创世区块：

  getGenesisBlock() {
    return new Block(0, '0', 1595490064640, 'GenesisBlock', '0000000000000000000d87bedef9550a014af9a3af74b791d84d049cc3ca85f4')
  }

如上所见，创世区块做了这么几件事：

• height： 将高度设定为0
• previousHash: 将创世区块的前一hash置为0
• timestamp: 取当前时间戳：1595490064640（即2020-08-03 18:00））
• data: 区块的数据体中，目前就是朴实无华的一句话，你写什么都OK！
• hash: 根据上述字段计算出来的一个唯一的识别码

现在有了创世区块了，那么接下来的第一个区块怎么生成呢？源码在此：

  generateNextBlock(blockData) {
    const previousBlock = this.getLatestBlock()
    const nextIndex = previousBlock.height + 1
    const nextTimeStamp = new Date().getTime()
    const nextHash = this.calcuteHash(nextIndex, previousBlock.hash, nextTimeStamp, blockData)
    return new Block(nextIndex, previousBlock.hash, nextTimeStamp, blockData, nextHash)
  }

如上可见，后继区块使用到了前一区块的高度height和哈希值hash。

当区块链发现有一个新的区块被挖出，且需要添加到该链的尾部时，必须得验证该块是否合乎要求：

  isValidNewBlock(newBlock, previousBlock) {
    if(
      !(newBlock instanceof Block) ||
      !(previousBlock instanceof Block)
    ) {
      return false
    }

    // 判断height
    if(newBlock.height !== previousBlock.height + 1) { 
      return false
    }

    // 判断hash值
    if(newBlock.previousHash !== previousBlock.hash) { 
      return false
    }

    // 计算新块的hash值是否符合规则
    if(this.calcuteHash(newBlock.height, newBlock.previousHash, newBlock.timestamp, newBlock.data) !== newBlock.hash) { 
      return false
    }

    return true
  }

由上可见，判断一个新区块能否被添加到该区块链的依据有如下四点：

• 当前挖出的新区块newBlock和取出的上一区块previousBlock是否是合法的区块？
• newBlock的高度，是否比previousBlock的高度刚好大1？
• newblock的前一哈希: previousHash，是否刚好是previousBlock哈希: hash？
• newBlock的hash是否是根据该区块的所有信息按固定规范加密生成的？

只有当上述几点全部满足，该新区块newBlock才能被加入该区块链，否则该区块将成为垃圾区块，游离于三界之外！

在判定区块合法之后，现在将其加入区块链：

  addBlock(newBlock) {
    if(this.isValidNewBlock(newBlock, this.getLatestBlock())) {
      this.blocks.push(newBlock)
      return true  
    }
    return false
  }

就这样，第一个区块连到创世区块后面，第二个区块连到第一个区块后面，如此重复，由一个个区块构成的区块链就诞生了。

你可以发现，每个区块只能被添加到区块链的后面，而不能将某个区块从区块链中移除！

同时，每个区块的区块体中，写有一些事件/交易，随着区块被固定在区块链中，该区块中的数据也不会被更改。这就是区块链最典型的特性： 不可篡改。

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引申（此段可暂时不看，不影响全文逻辑）

然而在实际过程中，有时会发生多个区块相连而成的区块链片段需要被添加到区块链，在此，请问：

• 如何校验该片段是否合法？
• 如何将其加入区块链？

答案如下，详见源码：

/**
   * 判断新插入的区块链是否合法而且可以覆盖原来的节点
   * @param {Array} newChain 
   */
  isValidNewChain(newChain) {
    if(Array.isArray(newChain) === false || newChain.length === 0) {
      return false
    }

    let newChainLength = newChain.length,
      firstBlock = newChain[0]

    // 硬编码的起源块不能改变
    if(firstBlock.height === 0) {
      return false
    }

    // 移植新的链的长度 <= 现有链的长度
    // 新的链不可信
    if(newChainLength + firstBlock.height <= this.blocks.length) {
      return false
    }

    // 下面检查新的链能否移植
    // 以及新的链的每个节点是否符合规则
    if(!this.isValidNewBlock(firstBlock, this.blocks[firstBlock.height - 1])) {
      return false
    }

    for(let i = 1; i < newChainLength; ++i) {
      if(!this.isValidNewBlock(newChain[i], newChain[i - 1])) {
        return false
      }
    }

    return true
  }

  /**
   * 插入新链表
   * @param {Array} newChain 
   */
  addChain(newChain) {
    if(this.isValidNewChain(newChain)) {
      const height = newChain[0].height
      this.blocks.splice(height)
      this.blocks = this.blocks.concat(newChain)
      return true
    }
    return false
  }

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获取完整源码: Github

快速上手/如何运行

• 下载源码: git clone https://github.com/stevekeol/YunDang-Chain
• 切换至对应目录，并安装依赖项: cd yundang-chain/demo && npm install
• 运行: npm start

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总结

本文仅以近乎于Demo的形式，最简的展示了：

• 何为代码层面的区块链
• 如何以最简代码打造区块链

作者简介

【stevekeol】

近期已提上日程的计划是打造一款 基于NodeJS的移动端全节点公有链： YunDang-Chain。

作者：stevekeol
链接：https://www.jianshu.com/p/b83c1e50c309
来源：简书
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