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。$ \6 p& N$ E" {3 Y. x, R" o
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+ F1 g- k7 X6 W6 K. \ c
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。* ^# C! }; _- s7 j
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。 \; V1 q I1 F. S
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" S) h6 d* _$ z6 Z
*/, a b7 ]' J) R$ r- o
class Block {
/**
* 构造函数8 t) t4 N* z4 w
* @param {Number} index 4 ]5 V C9 H- g6 D2 y3 ^+ v+ l
* @param {String} previousHash & I- S% `7 f* b6 S0 M7 c3 x
* @param {Number} timestamp 0 J1 ~- @, Q+ A
* @param {*} data
* @param {String} hash
*/
constructor(index, previousHash, timestamp, data, hash) {
this.index = index // 区块的位置. z8 ^3 G7 n5 R3 L
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3 Y* C' w5 R% w# F0 f
this.hash = hash + '' // 区块根据自身信息和规则生成的hash9 U- I: M/ g+ {4 B ^7 M. _- g
}* t8 k( B2 N) z6 L
}6 r5 O `; L7 G; H
至于怎么生成hash,这里采用的规则比较简单:2 [- f+ E: s% v% \( L. ?
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:( H* d+ m j j% F3 y
const CryptoJS = require('crypto-js')1 d+ i' T7 N- C: k \
链结构定义# ?# s9 a( M& V: I' ?- c
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: V5 K' f9 h2 ]5 p2 m N" C; l; B
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()]5 r: m2 p& u+ p. p f, E7 |
}! _4 f' O& z- A
/**' G5 y- T5 I o* \0 R4 ^
* 创建区块链起源块, 此块是硬编码" l: \* Y! X! q* z8 o
*/
getGenesisBlock() {0 i! M3 m" h: C
return new Block(0, '0', 1552801194452, 'genesis block', '810f9e854ade9bb8730d776ea02622b65c02b82ffa163ecfe4cb151a14412ed4')
}
}. Q' P; s8 r" y* b$ X1 E' Q6 A
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。# C, \! y1 |4 l6 ~
// 方法都是BlockChain对象方法
/**
* 根据信息计算hash值, H" R `, n( X8 j
*/' l5 A, d: e; i5 c- k. Z5 ^5 `9 W
calcuteHash(index, previousHash, timestamp, data) {
return CryptoJS.SHA256(index + previousHash + timestamp + data) + '') a2 D3 ~2 a( { i0 M( d$ E% i: u
}
/**
* 得到区块链中最后一个块节点
*/
getLatestBlock() {
return this.blocks[this.blocks.length - 1]
}7 g- R6 ]* ~* Y
/**' l* W" I! r* J! m8 W; o7 V& ]' B
* 计算当前链表的下一个区块) x# L6 S: ~- s6 z
* @param {*} blockData + M8 r3 ^$ W& r* n
*/% r1 {/ y8 ] `3 n( w
generateNextBlock(blockData) {/ K: b* B; H, d
const previousBlock = this.getLatestBlock()/ m* ^' w {8 P7 o
const nextIndex = previousBlock.index + 1' L( z( R6 K; x: f+ S
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。
/**7 S8 K7 x% P& r. a0 P; S3 j. T
* 向区块链添加新节点8 l; j9 n9 x9 x, F: {6 @: b
* @param {Block} newBlock * p7 T* w3 E* V2 B
*/
addBlock(newBlock) {; X2 x2 Z g' K0 {% _
// 合法区块
if(this.isValidNewBlock(newBlock, this.getLatestBlock())) {( c( A7 S5 r5 k& |
this.blocks.push(newBlock)
return true
}
return false! b6 P% i* b% c) W- `
}
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
1 I/ Q& K9 e2 n6 p$ m
/**
* 判断新加入的块是否合法
* @param {Block} newBlock & W; D4 ]+ T D p. r: E8 y& C
* @param {Block} previousBlock
*/
isValidNewBlock(newBlock, previousBlock) {
if(
!(newBlock instanceof Block) ||6 D! u7 _% W7 C4 E- D' h; l. X
!(previousBlock instanceof Block)
) {5 c1 V1 s! B3 ~1 a
return false
}; p! H' |0 u9 O$ y
// 判断index
if(newBlock.index !== previousBlock.index + 1) { - u: K' P$ G+ a
return false/ ~4 a. S v8 w! N8 z1 s/ ?8 [+ J! G
}
// 判断hash值* k+ C1 U4 U6 {( y: b+ c7 f7 s3 _
if(newBlock.previousHash !== previousBlock.hash) {
return false
}& `' O$ y& t. o; ^. x( O& Z0 n
// 计算新块的hash值是否符合规则) x4 ~( P5 @ |" J% s9 m# f. Y6 j
if(this.calcuteHash(newBlock.index, newBlock.previousHash, newBlock.timestamp, newBlock.data) !== newBlock.hash) {
return false
}
return true ~: @8 y$ `& k8 `. W6 ~+ X0 o; A
}
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。; z1 X/ ?8 b! K' a2 s
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。9 c7 v, N! ~3 y J$ F5 [- E
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:% i5 l+ ^9 d5 T9 b& Z% o v
/**
* 插入新链表0 c x" j* n4 e7 D8 K- I
* @param {Array} newChain
*/
addChain(newChain) {1 S, H; ~9 D+ o" k; y# X w s0 e
if(this.isValidNewChain(newChain)) {8 o3 I- b4 [- E) P$ O5 Z
const index = newChain[0].index
this.blocks.splice(index)
this.blocks = this.blocks.concat(newChain)2 ?# ?3 _9 f2 s1 y
return true
}; P) I! a8 F/ v+ r; y( w
return false6 S @3 A/ E9 _, [ e
}
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
*/: j9 L8 j3 U" t* w8 J0 P
isValidNewChain(newChain) {
if(Array.isArray(newChain) === false || newChain.length === 0) {
return false, n }% I: Y8 B1 ]: X
}# |1 b2 X# ^' B+ ]: G4 ~
let newChainLength = newChain.length,
firstBlock = newChain[0]7 M. ]* h7 |" a l' M! N
// 硬编码的起源块不能改变- j( {& ~, z! ~4 _' {1 y! o
if(firstBlock.index === 0) {4 N4 T* M0 L: Z! ~; m/ s
return false6 m8 M+ L8 ^- k$ p' @$ V b- M- B
}$ h7 x; b( u( |9 T/ |
// 移植新的链的长度 $ M) R' @3 m$ r- d7 s% |, S: H
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。2 @5 l* ]5 d1 p: r# ?8 W
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:
* [. z3 j' y) {* B8 w* c! I
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。 r( V! o+ ?. d
全部代码在都放在: https://github.com/dongyuanxin/node-blockchain
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