3分钟通过一个App的演示深入理解区块链运行原理

作者：黎跃春，资深讲师，全栈工程师；专注于「区块链+内容」产品的开发以及区块链技术培训。

公众号：区块链部落

QQ群：348924182

微信：liyc1215

区块链技术部落阁：http://liyuechun.org

安装命令行工具

• 打开终端，输入npm install blockchain-cli -g

Last login: Wed Sep 13 15:48:00 on ttys000
liyuechun:~ yuechunli$ npm install blockchain-cli -g
/usr/local/bin/blockchain -> /usr/local/lib/node_modules/blockchain-cli/main.js

> wrtc@0.0.62 install /usr/local/lib/node_modules/blockchain-cli/node_modules/wrtc
> node-pre-gyp install --fallback-to-build

[wrtc] Success: "/usr/local/lib/node_modules/blockchain-cli/node_modules/wrtc/build/wrtc/v0.0.62/Release/node-v57-darwin-x64/wrtc.node" is installed via remote
+ blockchain-cli@1.0.5
added 263 packages in 89.506s
liyuechun:~ yuechunli$ 

• 终端输入blockchain

liyuechun:~ yuechunli$ blockchain
  Welcome to Blockchain CLI!

  Commands:

    help [command...]      Provides help for a given command.
    exit                   Exits application.
    blockchain             See the current state of the blockchain.
    mine <data>            Mine a new block. Eg: mine hello!
    open <port>            Open port to accept incoming connections. Eg:
                           open 2727
    connect <host> <port>  Connect to a new peer. Eg: connect localhost
                           2727
    peers                  Get the list of connected peers.
    discover               Discover new peers from your connected peers.

blockchain → 

区块(block)长什么样子？

在blockchian ->后面输入blockchain或者bc查看创始区块结构。

• Index (Block #): 第几个区块? (创世区块链的索引为0)
• Hash: 当前区块的hash值
• Previous Hash: 上一个区块的hash值
• Timestamp: 当前区块创建时的时间戳
• Data: 存储在当前区块上的交易信息
• Nonce: 在找到有效区块之前，我们经历的迭代次数

创世区块（Genesis Block）

每个区块链都是由一个创始区块「 Genesis Block」开始。后面你所看到的区块都依赖于上一个区块。因此，创始区块是我们挖取第一个区块的基础。

当一个区块挖矿时都发生了什么？

我们在blockchain → 中输入mine liyc1215，「liyc1215是春哥微信号，添加我微信，拉你进区块链技术交流群」挖取我们的第一个区块。

• Index: o+1 = 1
• Previous Hash: 0000018035a828da0…
• Timestamp: 这个区块创建的时间
• Data: liyc1215
• Hash: ??
• Nonce: ??

Hash是怎么计算的？

Hash值是一个十六进制固定长度为64位的唯一的标识。

hash值是由index, previous block hash, timestamp, block data, 和 nonce 作为输入数据计算而得。

CryptoJS.SHA256(index + previousHash + timestamp + data + nonce)

The SHA256 algorithm will calculate a unique hash, given those inputs. The same inputs will always return the same hash.

SHA256算法将根据给出的输入数据计算出一个唯一的hash值，只要输入值不变，永远返回相同的结果。

输入数据为liyc1215时，它的hash值永远为dca0762d726738ebb8e6b7b43a4ba4186588a1b711f94ba9c694bffda8fcccf9

你是否注意到块哈希中的四个前导0？

四个前导0是有效散列的最低要求。 所需的前导0的数量称为难度。

下面的方法验证hash难度是否有效。

function isValidHashDifficulty(hash, difficulty) {
  for (var i = 0, b = hash.length; i < b; i ++) {
      if (hash[i] !== '0') {
          break;
      }
  }
  return i >= difficulty;
}

这就是我们所熟知的工作量证明系统 - Proof-of-Work system。

什么是nonce？

nonce是一个用来找到满足条件的hash值的数字。

let nonce = 0;
let hash;
let input;
while(!isValidHashDifficulty(hash)) {     
  nonce = nonce + 1;
  input = index + previousHash + timestamp + data + nonce;
  hash = CryptoJS.SHA256(input)
}

nonce值一直迭代，直到hash值有效为止。在我们案例中一个有效的hash值是最少有4个前导0。找到nonce值以满足合适条件的hash值的过程就叫做挖矿。

随着难度的增加，可能的有效散列数减少。 使用较少可能的有效散列，需要更多的处理能力才能找到有效的散列。

Hash为什么如此重要？

hash散列很重要是因为它可以使区块链不能被改变。

如果我们有三个区块链1 -> 2 -> 3 -> 4 -> 5，当某个人想要试图修改区块A时，下面几点将是会发生的几种情况。

• 区块3上的区块链被修改。
• 区块3上的hash值将发生改变，因为hash值是通过数据计算而得。
• 区块3变得无效，因为它的hash值不再具备4个前导0的条件。
• 区块4的hash值将发生改变，因为区块3的hash值用来参与计算区块4的hash值。
• 区块4变得无效，因为它的hash值不再具备4个前导0的条件。
• 区块5的hash值将发生改变，因为区块4的hash值用来参与计算区块5的hash值。
• 区块5变得无效，因为它的hash值不再具备4个前导0的条件。

如果想要无效的区块3、4、5变得有效，必须从区块3开始再一次重新依次挖矿，当你的区块链足够长，节点足够多时，就算你将这条链上的区块链改变并且重新挖矿成功，但是因为超过50%的节点的数据和你的节点的数据不一致，你这个被改变的节点的数据也依然无效。

在这个demo的演示中，一共有三个节点，我修改了节点2的区块链5并且重新挖矿取得合法的hash值，但是因为节点A和节点C中区块5的hash值为0000e4b9052fd8aae92a8afda42e2ea0f17972ea67cead67352e74dd6f7d217c，而节点B中的hash值为0000184634edadb8fc7f4bdee87aa9d7d2a46b0c26db221998e35c1f57c0b42c，少数服从多数，所以以节点A和C的区块数据为准。

参考文档

• How does blockchain really work? I built an app to show you
• https://anders.com/blockchain/distributed.html
• http://blockchaindemo.io