NodeJS实现简易区块链 - 区块链技术 - BitMere

NodeJS实现简易区块链
之前由于课程要求，基于Nodejs做了一个实现简易区块链。要求非常简单，结构体记录区块结构，顺便能向链中插入新的区块即可。
但是如果要支持多用户使用，就需要考虑“可信度”的问题。那么按照区块链要求，链上的数据不能被篡改，除非算力超过除了攻击者本身之外其余所以机器的算力。
想了想，就动手做试试咯。
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技术调研
在google上搜了搜，发现有个项目不错： https://github.com/lhartikk/naivechain 。大概只有200行，但是其中几十行都是关于搭建ws和http服务器，美中不足的是没有实现批量插入区块链和计算可信度。
结合这个项目，基本上可以确定每个区块会封装成一个class（结构化表示），区块链也封装成一个class，再对外暴露接口。
区块定义
为了方便表示区块，将其封装为一个class，它没有任何方法：
/**
* 区块信息的结构化定义
*/
class Block {
  /**
* 构造函数
* @param {Number} index
* @param {String} previousHash
* @param {Number} timestamp
* @param {*} data
* @param {String} hash
*/
  constructor(index, previousHash, timestamp, data, hash) {
this.index = index // 区块的位置
this.previousHash = previousHash + '' // 前一个区块的hash
this.timestamp = timestamp // 生成区块时候的时间戳
this.data = data // 区块本身携带的数据
this.hash = hash + '' // 区块根据自身信息和规则生成的hash
  }
}
至于怎么生成hash，这里采用的规则比较简单：
拼接index、previouHash、timestamp和data，将其字符串化利用sha256算法，计算出的记过就是hash

为了方便，会引入一个加密库：
const CryptoJS = require('crypto-js')
链结构定义
很多区块链接在一起，就组成了一条链。这条链，也用class来表示。并且其中实现了很多方法：
按照加密规则生成hash插入新块和检查操作批量插入块和检查操作以及可信度计算

1. 起源块
起源块是“硬编码”，因为它前面没数据呀。并且规定它不能被篡改，即不能强制覆盖。我们在构造函数中，直接将生成的起源块放入链中。
class BlockChain {
  constructor() {
this.blocks = [this.getGenesisBlock()]
  }
  /**
* 创建区块链起源块, 此块是硬编码
*/
  getGenesisBlock() {
return new Block(0, '0', 1552801194452, 'genesis block', '810f9e854ade9bb8730d776ea02622b65c02b82ffa163ecfe4cb151a14412ed4')
  }
}
2. 计算下一个区块
BlockChain对象可以根据当前链，自动计算下一个区块。并且与用户传来的区块信息比较，如果一样，说明合法，可以插入；否则，用户的区块就是非法的，不允许插入。
// 方法都是BlockChain对象方法
  /**
* 根据信息计算hash值
*/
  calcuteHash(index, previousHash, timestamp, data) {
return CryptoJS.SHA256(index + previousHash + timestamp + data) + ''
  }
  /**
* 得到区块链中最后一个块节点
*/
  getLatestBlock() {
return this.blocks[this.blocks.length - 1]
  }
  /**
* 计算当前链表的下一个区块
* @param {*} blockData
*/
  generateNextBlock(blockData) {
const previousBlock = this.getLatestBlock()
const nextIndex = previousBlock.index + 1
const nextTimeStamp = new Date().getTime()
const nextHash = this.calcuteHash(nextIndex, previousBlock.hash, nextTimeStamp, blockData)
return new Block(nextIndex, previousBlock.hash, nextTimeStamp, blockData, nextHash)
  }
3. 插入区块
插入区块的时候，需要检查当前块是否合法，如果合法，那么插入并且返回true；否则返回false。
  /**
* 向区块链添加新节点
* @param {Block} newBlock
*/
  addBlock(newBlock) {
// 合法区块
if(this.isValidNewBlock(newBlock, this.getLatestBlock())) {
   this.blocks.push(newBlock)
   return true
}
return false
  }
检查的逻辑就就放在了 isValidNewBlock 方法中, 它主要完成3件事情：
判断新区块的index是否是递增的判断previousHash是否和前一个区块的hash相等判断新区块的hash是否按约束好的规则生成

  /**
* 判断新加入的块是否合法
* @param {Block} newBlock
* @param {Block} previousBlock
*/
  isValidNewBlock(newBlock, previousBlock) {
if(
   !(newBlock instanceof Block) ||
   !(previousBlock instanceof Block)
) {
   return false
}
// 判断index
if(newBlock.index !== previousBlock.index + 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.index, newBlock.previousHash, newBlock.timestamp, newBlock.data) !== newBlock.hash) {
   return false
}
return true
  }
4. 批量插入
批量插入的逻辑比较复杂，比如当前链上有4个区块的下标是：0->1->2->3。除了起源块0不能被覆盖，当插入一条新的下标为“1->2->3->4”的链时候，就可以替换原来的区块。最终结果是：0->1->2->3->4。
在下标index的处理上，假设还是上面的情况，如果传入的链的下标是从大于4的整数开始，显然无法拼接原来的区块链的下标，直接扔掉。
但是如何保证可信度呢？就是当新链（B链）替换原来的链（A链）后，生成新的链（C链）。如果 length© > length(A)，那么即可覆盖要替换的部分。 这就保证了，只有在算力超过所有算力50%的时候，才能篡改这条链 。
插入新链的方法如下：
  /**
* 插入新链表
* @param {Array} newChain
*/
  addChain(newChain) {
if(this.isValidNewChain(newChain)) {
   const index = newChain[0].index
   this.blocks.splice(index)
   this.blocks = this.blocks.concat(newChain)
   return true
}
return false
  }
实现上面所述逻辑的方法如下：
  /**
* 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.index === 0) {
   return false
}
// 移植新的链的长度
5. 为什么需要批量插入？
我当时很奇怪，为什么需要“批量插入”这个方法。后来想明白了（希望没想错）。假设服务器S，以及两个用户A与B。
A与B同时拉取到已知链的数据，然后各自生成。A网速较快，但是算力低，就生成了1个区块，放入了S上。注意：此时S上的区块已经更新。
而B比较惨了，它在本地生成了2个区块，但是受限于网速，只能等网速恢复了传入区块。这时候，按照规则，它是可以覆盖的（算力高嘛）。所以这种情况下，服务器S接受到B的2个区块，更新后的链长度是3（算上起源块），并且A的那个区块已经被覆盖了。
效果测试
虽然没有写服务器，但是还是模拟了上面讲述的第5种情况。代码在 test.js 文件中，直接run即可。看下效果截图吧：

红线上面就是先算出来的，红线下面就是被算力更高的客户端篡改后的区块链。具体模拟过程可以看代码，这里不再冗赘了。
全部代码在都放在： https://github.com/dongyuanxin/node-blockchain