NodeJS实现简易区块链
r8kao8k8
发表于 2023-1-2 20:25:20
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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。* N9 r- k1 x- m$ D9 N
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。+ w5 k( @- b6 ~0 T4 u* A! R4 K
想了想,就动手做试试咯。9 B+ @7 I" r* Z/ I5 Y
?查看全部教程 / 阅读原文?4 B# W e" Z" L) m _8 {) b, t
技术调研. K, _8 t2 U& }- ~
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。' ^) ]5 l1 S6 a; R' x1 E" J
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:
/**! r8 ~3 h% c+ D6 Z; o: [6 V
* 区块信息的结构化定义
*/, P" y# e$ t I
class Block {
/**
* 构造函数
* @param {Number} index
* @param {String} previousHash & e. ~" _; m/ c2 H# M
* @param {Number} timestamp 3 Q$ m/ e# r7 N# w7 D
* @param {*} data
* @param {String} hash
*/* j, T0 F) j1 U |# `, V* s
constructor(index, previousHash, timestamp, data, hash) {
this.index = index // 区块的位置
this.previousHash = previousHash + '' // 前一个区块的hash! V* R. |# Y, K+ {- `
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
}- D0 L/ L' q- |6 t9 ]
}) o+ v* W4 U4 }$ e& O
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% V# f' _% R, {7 `8 {0 B
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:6 W# o, X+ I* p# @
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
K; V4 h3 W) k+ ~4 {
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。( u( X# q6 K& D) }
class BlockChain {$ V7 f G v& k9 o% m2 ?+ e4 X
constructor() {) I1 R$ z, q1 _( ~
this.blocks = [this.getGenesisBlock()]+ ~: c4 Y% ]7 T2 J
}, H- Q% G7 _; b$ t1 z
/**; n8 ^- t, Y+ S: N8 u
* 创建区块链起源块, 此块是硬编码! `: N; P8 \1 W2 f
*/
getGenesisBlock() {
return new Block(0, '0', 1552801194452, 'genesis block', '810f9e854ade9bb8730d776ea02622b65c02b82ffa163ecfe4cb151a14412ed4')2 k# o) g7 n7 r/ t# k
}
}
2. 计算下一个区块7 Z7 k; Z: w- J* ?& e3 }7 s: D
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
/**0 a# o8 K2 k! E9 V: L* w# j q" h
* 根据信息计算hash值
*/
calcuteHash(index, previousHash, timestamp, data) {
return CryptoJS.SHA256(index + previousHash + timestamp + data) + ''
}
/**' O* M5 j ]4 Q. D5 X8 A
* 得到区块链中最后一个块节点
*/ p' w( Z- s6 b; x; H( j
getLatestBlock() {
return this.blocks[this.blocks.length - 1]2 G, \. A" s' i
}
/**
* 计算当前链表的下一个区块0 I& n" b2 S& h: J
* @param {*} blockData ! D5 @8 B* C4 w1 z
*/8 W2 Y1 F" |& Q, K: |! x8 a( r
generateNextBlock(blockData) {
const previousBlock = this.getLatestBlock()! q1 A/ s0 g2 `1 c2 Z; S) d
const nextIndex = previousBlock.index + 14 z/ W4 q3 b7 |: X" N6 H
const nextTimeStamp = new Date().getTime(); E2 |; U4 q2 }7 B7 ^) T* s
const nextHash = this.calcuteHash(nextIndex, previousBlock.hash, nextTimeStamp, blockData)
return new Block(nextIndex, previousBlock.hash, nextTimeStamp, blockData, nextHash); S: k; k) v9 E$ {0 F1 A* H
}
3. 插入区块: F& b* E" X$ D7 R
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。. U4 [: r) _4 a2 t% D* y
/**
* 向区块链添加新节点
* @param {Block} newBlock
*/
addBlock(newBlock) {
// 合法区块: w0 T9 D9 _! U0 N3 |/ [
if(this.isValidNewBlock(newBlock, this.getLatestBlock())) {
this.blocks.push(newBlock)# O/ n/ s8 _2 n0 w6 V0 D0 }% V( X
return true + R+ p' q1 e b3 t
}
return false
}' o: t4 B& w, W! G3 v4 U
检查的逻辑就就放在了 isValidNewBlock 方法中, 它主要完成3件事情:! }3 n, _7 c1 P9 g6 T4 [3 y+ \. Y
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8 J: P6 K8 J. r* S+ E, {
; M$ X2 U, \9 m1 o0 T
/**& ?/ }9 A% H) b8 h* Z9 ^. w* H
* 判断新加入的块是否合法; I' M; X* R ^5 }& h- x. V
* @param {Block} newBlock
* @param {Block} previousBlock
*/' \' {- f# K2 q9 [; e' ?- f
isValidNewBlock(newBlock, previousBlock) {( S& Q" O$ I$ R3 U! {1 Q$ d/ j
if(- D, v0 O5 a0 D% _0 m1 B+ {# Z: P
!(newBlock instanceof Block) ||
!(previousBlock instanceof Block)
) {
return false
}5 P" O, S% }6 c' r& z4 u6 ~
// 判断index
if(newBlock.index !== previousBlock.index + 1) { / m3 S; M! c2 [7 o: l
return false
}# H4 G/ o: f Y8 V+ B3 n
// 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
}: F9 i; H. p3 T3 O
return true9 m+ U$ v( V' o V: _! p# R) J9 P. |
}
4. 批量插入: @( v; ~$ J Q% S4 _4 C# V
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。1 x( \+ n- g( @# U6 U
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: i; E$ @" ^$ }4 u
/**2 W7 H& E% W% O- L3 G
* 插入新链表
* @param {Array} newChain 6 u4 f9 H8 W& N' w
*/+ w6 k, w* x: W
addChain(newChain) {
if(this.isValidNewChain(newChain)) {* z4 S5 Q. j. y+ O
const index = newChain[0].index
this.blocks.splice(index): m$ C1 P2 k/ _, {
this.blocks = this.blocks.concat(newChain)
return true
}
return false
}# h9 y1 Y, j u- H8 q
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 " L4 x7 t3 r: ?# {/ }" Z# `
*/! \; z# B: h( k
isValidNewChain(newChain) {. E4 L& }+ g+ ]* |1 m+ A
if(Array.isArray(newChain) === false || newChain.length === 0) {. s7 n# d x( }; N j) }
return false f1 E( n: V# y
}- A4 ^# E9 z$ i6 X+ u& x+ p1 {
let newChainLength = newChain.length,
firstBlock = newChain[0]
// 硬编码的起源块不能改变1 c7 f. d! G- [, J3 G4 c% |* D
if(firstBlock.index === 0) {
return false- o. w _; g6 B
}3 y, o. b+ u% o5 c4 r+ l
// 移植新的链的长度 ) r8 e* T6 F3 j7 g
5. 为什么需要批量插入?# O0 F9 f+ n8 a5 G5 N
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。2 N+ F: d$ w& X# C0 _% d
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
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