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：

1. 拼接 index、previouHash、timestamp 和 data，将其字符串化
2. 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：

1. 按照加密规则生成 hash
2. 插入新块和检查操作
3. 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：

1. 判断新区块的 index 是否是递增的
2. 判断 previousHash 是否和前一个区块的 hash 相等
3. 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(C) > 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 <= 现有链的长度
    // 新的链不可信
    if(newChainLength + firstBlock.index <= 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.index - 1])) {return false}

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

    return true
  }

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

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