区块链笔记(4)用JS写个简单的区块链原型

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介绍了一些关于比特币的概念与机制,为了加深理解,本文基于JavaScript来实现一个简单的区块链原型,后续再对其进行不断丰富。

1. 概述

如前所述区块链模型的组成部分,包括区块,区块构成的区块链,以及保存区块链的数据持久层等。一个超简单的UML类图如下:
图片描述
由于我是前端的,业余看了这么久区块链的理论,还是手痒痒谢谢代码,把这个类用JavaScript实现一下。写完之后发现目前阶段,对于区块链原型来说还是太过简单,不过如果说用来做前端面试题,考察下面向对象和Promise等知识点倒是挺接洽。

2. 定义区块数据模型

摘取比特币区块的详情进行修改,去除所有多余信息,只留下能描述区块最基本的信息,声明区块类如下:

class Block {
    constructor(data) {
        // 区块的属性值
        this.hash = "";
        this.height = 0;
        this.body = data;
        this.time = 0;
        this.previousBlockHash = "";
    }
}

module.exports.Block = Block;

3. 数据持久层

其实用数组实现区块链是最简单的原型方案,但每次重启数组都会被清空,数据并不持久。所以这里引入levelDB数据库作为持久层来保存数据,相关操作可参考level。由于直接调用API,对于应用层来说过于麻烦,所以在此声明一个数据操作类LevelSandbox,该类不像传统的关系型数据库具有增、删、改、查等全部功能,由于区块链上数据的不可更改性,此类只包含增和查的操作。

3.1 根据key从数据库中获取数据

本文如下相关异步实现,都采用Promise的方式而非回调,其中好处作为前端工程师此处就不多介绍了,有需要了解的可异步Promise介绍,自行扩展阅读。

getLevelDBData(key) {
    let self = this;
    return new Promise(function(resolve, reject) {
        self.db.get(key)
            .then(value => {
                console.log('Value = ' + value);
                resolve(value)
            })
            .catch(err => {
                console.log('Not found!');
                reject(err)
            })
    });
}

3.2 将key/value数据插入数据库中

key/value的方式在数据库中存储,其key值得选取,这里考虑使用区块类中声明的height字段,该字段标识一个区块在链中的位序,同时也具有唯一性,非常合适。

addLevelDBData(key, value) {
    let self = this;
    return new Promise(function(resolve, reject) {
        self.db.put(key, value)
            .then(() => resolve())
            .catch((err) => {
                console.log('Block ' + key + ' submission failed');
                reject(err)
            })
    });
}

3.3 获取数据库中区块总数

createReadStream()方法创建一个读取数据库的流,这里的作用是为了遍历整库以获取存储的区块总数,另外此方法还可通过传参,设置遍历次序,详情可参阅文档。

getBlocksCount() {
    let self = this;
    return new Promise(function(resolve, reject){
        let height = 0;
        self.db.createReadStream()
            .on('data', function () {
                height++;
            })
            .on('error', function (error) {
                reject('Unable to read data stream!', error);
            })
            .on('close', function () {
                resolve(height);
            });
    });
}

4. 区块链类

该类主要负责将新创建的区块添加进区块链,并验证链中各个区块的数据完整性。这个过程中少不了对区块数据的哈希处理,为方便起见,采用第三方库crypto-js实现的SHA256方法。

构想该类中的主要方法包括:

  • createGenesisBlock():生成起始区块
  • getBlockHeight():获取区块链长度
  • getBlock(height):获取指定区块
  • addBlock(block):将一个新区块加入区块链中
  • validateBlock(block):验证某个区块
  • validateChain():验证区块链

如下便实现其中主要的几个方法:

4.1 增加新区块

各个区块通过previousBlockHash属性,依次指向前一个区块来连接成链的,除首区块该属性为空外。

addBlock(block) {
    return this.getBlockHeight()
        .then(height => {
            区块高度
            block.height = height;
            // UTC 时间戳
            block.time = new Date().getTime().toString().slice(0, -3);
            if (height > 0) {
                this.getBlock(height - 1)
                    .then(preBlock => {
                        // 前一个区块的哈希值
                        block.previousBlockHash = preBlock.hash;
                        // 对区块进行哈希处理
                        block.hash = SHA256(JSON.stringify(block)).toString();
                        // 将新区快存入库中
                        this.bd.addLevelDBData(height, JSON.stringify(block));
                    })
                    .catch(error => console.log(error));
            } else {
                block.hash = SHA256(JSON.stringify(block)).toString();
                this.bd.addLevelDBData(height, JSON.stringify(block));
            }
        })
        .catch( error => console.log(error));
}

4.2 验证单个区块完整性

验证方法就是应用了hash算法的性质:相同的数据经过hash后会生成相同的hash值。

validateBlock(height) {
        // 获取区块的值
        return this.getBlock(height)
            .then(block => {
                const objBlock = JSON.parse(block);
                let blockHash = objBlock.hash;
                objBlock.hash = '';
                // 重新生成区块的哈希值
                let validBlockHash = SHA256(JSON.stringify(objBlock)).toString();
                objBlock.hash = blockHash;
                // 比较以验证完整性
                if (blockHash === validBlockHash) {
                    return Promise.resolve({isValidBlock: true, block: objBlock});
                } else {
                    console.log('Block #'+blockHeight+' invalid hash:\n'+blockHash+'<>'+validBlockHash);
                    return Promise.resolve({isValidBlock: false, block: objBlock});
                }
            })
    }

4.3 验证整个区块链

通过依次校验每个区块以验证整条链的完整性。

validateChain() {
    let errorLog = [];
    let previousHash = '';
    this.getBlockHeight()
        .then(height => {
            for (let i = 0; i < height; i++) {
                this.getBlock(i)
                    .then(block => this.validateBlock(block.height))
                    .then(({isValidBlock, block}) => {
                        if (!isValidBlock) errorLog.push(i);
                        if (block.previousBlockHash !== previousHash) errorLog.push(i);
                        previousHash = block.hash;
                        if (i === height - 1) {
                            if (errorLog.length > 0) {
                                console.log(`Block errors = ${errorLog.length}`)
                                console.log(`Blocks: ${errorLog}`)
                            } else {
                                console.log('No errors detected')
                            }
                        }
                    })
            }
        })
}

5. 生成测试数据

(function theLoop (i) {
    setTimeout(function () {
        let blockTest = new Block.Block("Test Block - " + (i + 1));
        myBlockChain.addBlock(blockTest).then((result) => {
            console.log(result);
            i++;
            if (i < 10) theLoop(i);
        });
    }, 10000);
})(0);

作为一个区块链原型的样子算是初见端倪,但就目前的功能来说还非常简陋,说是原型都算抬举了,不过后面慢慢再丰富吧。这里也只算是对之前的一个实践性的小节。

文中以列出主要代码片段,整体实现其实不难,没贴出所有代码主要是为了表述思路更清晰些,若有朋友实现过程中有问题,可文下留言交流。

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