一、前言

最近，银行总行关于数字货币即将推出的消息频传，把BTC也带得来了一波反弹。

借着这个风，我们也研究一下区块链。

通常大家说到区块链，实际包括两部分概念：

第一个概念，就是狭义上的区块链。听起来很高大上又很复杂，但追根到底，它就是一种加密应用。

提起加密，我们脑袋里会显现出：DES、3DES、AES、RSA、DSA、SHA-1、MD5……很多很多。

狭义的区块链，其实就是使用这些加密技术而形成的一种应用。

这个应用又分为两个部分：

1. 区块

区块就是存放数据的一个独立空间。

不好理解？举个例子：我们在纸上写个作文，写了好几篇。那每一篇纸上，都会有一些我们写的内容。这个内容，就是数据。而这张纸，就是一个区块。

所以，区块就是放某些数据的一个特定的独立的空间。

根据需要，一个数据可以放在一个区块上，也可以放在多个区块上。同时，一个区块可以只存放一个数据，也可以存放很多个数据。这儿不需要太纠结怎么放，自己决定就好。区块链关注的是数据的存放方式，而不是数据本身。

2.链

链这个概念更简单，就是把上面说的区块，用一个链表记录下来。

既然说到链表，就能想到，在链表上记录的区块，是有次序的。此外，最重要的是，链里的每一个区块，在记录数据的同时，也同时记录了他的前一个区块的信息（在区块链里，称之为指纹）。

换句话说就是，每个区块里，都记录着这个区块前边所有区块的信息，同时，每个区块，都对这个区块后边的所有区块产生影响。

这样的设计，会形成这样的效果：当改变一个区块的数据时，需要同时把这个区块后边所有区块的指纹信息全部进行同步更新。如果仅仅只改变这个区块本身的内容，那后边的区块会很容易通过指纹来验证这个区块非法和无效。

第二个概念，是分布式存储

上面区块链的概念中，在数据保存上有一个漏洞：如果一个非法用户真的把一个区块以及这个区块后边的所有区块都修改了，那他就改变了这个区块链里保存的数据。怎么破？

一个有效的方式，就是分布式存储。把这样一个链，存放在很多个地方，每个地方都有这个链的一个副本。系统验证一个区块是否合法，除了验证链的合法性外，还需要验证这个区块在各处保存的副本是否一致。系统认可超过半数一致的区块为合法区块。

这样，非法用户如果想改变一个区块的数据，不仅需要修改这个链，同时还需要把这个链在各处的副本中半数以上的记录也修改了。当这个副本的数量很大时，这将变成一个不可能完成的任务。

当然，在互联网上，安全永远是相对的。去年币圈最大的事件，就是真的有一帮子黑客，利用廉价的服务器，造出了超过半数的区块链副本，然后修改区块数据，并让这些超过半数的副本认可并覆盖了正常的区块链数据，从而盗取了大量的数字币并抛售。

这是题外话。

区块链的概念就说到这里。

今天的代码，我们仅研究区块链的原理和方法。分布式存储，有兴趣的话，可以研究一下P2P的种子结构和下载原理，路数是一样的。

下面上代码。

二、开发环境&基础工程

这个Demo的开发环境是：Mac + VS Code + Dotnet Core 3.1.2。

$ dotnet --info
.NET Core SDK (reflecting any global.json):
 Version:   3.1.201
 Commit:    b1768b4ae7

Runtime Environment:
 OS Name:     Mac OS X
 OS Version:  10.15
 OS Platform: Darwin
 RID:         osx.10.15-x64
 Base Path:   /usr/local/share/dotnet/sdk/3.1.201/

Host (useful for support):
  Version: 3.1.3
  Commit:  4a9f85e9f8

.NET Core SDKs installed:
  3.1.201 [/usr/local/share/dotnet/sdk]

.NET Core runtimes installed:
  Microsoft.AspNetCore.App 3.1.3 [/usr/local/share/dotnet/shared/Microsoft.AspNetCore.App]
  Microsoft.NETCore.App 3.1.3 [/usr/local/share/dotnet/shared/Microsoft.NETCore.App]

首先，在这个环境下建立工程：

1. 创建Solution

% dotnet new sln -o demo
The template "Solution File" was created successfully.

2.这次，我们用Console创建工程

% cd demo
% dotnet new webapi -o demo
The template "Console Application" was created successfully.

Processing post-creation actions...
Running 'dotnet restore' on demo/demo.csproj...
  Determining projects to restore...
  Restored demo/demo.csproj (in 170 ms).

Restore succeeded.

基础工程搭建完成。

三、创建区块Model

在工程下面，创建一个目录Models，并在目录下建立类Block.cs：

public class Block
{
    public DateTimeOffset time_stamp { get; set; }
    public object data { get; set; }
    public string pre_hash { get; set; }
    public string hash { get; set; }
    public string nonce { get; set; }
}

解释一下各个字段：

time_stamp：时间戳，也就是这个区块的创建时间

data：数据，可以是任意类型，是我们要用区块链来保存的数据

pre_hash：前一个区块的hash值

hash：当前区块的hash值

nonce：随机数

在这几个字段中，真正在区块链中起作用的是后面三个字段：pre_hash、hash、nonce。

在计算中，hash值是由这个区块的pre_hash、data、time_stamp、nonce四个字段共同计算产生。

这样做，一方面，我们通过hash值可以验证保存的数据data，同时，也把前一个区块的hash信息保存到了这个区块中。

nonce字段在这个demo中，实际意义不大，但在实际项目中，却有它的实用价值。比方BTC中，要求hash值有特定的格式（至少前8个字节全是0），需要通过改变nonce的值，来得到这样的hash。又因为hash无法逆向计算，所以只能用穷举法修改nonce，一个一个计算并测试hash，这个过程叫WK，

四、创建链

有了区块model，创建链很简单。

我们创建一个BlockChains类，并在里面用SortedList建立一个链。

public class BlockChains
{
    private static SortedList<int, Block> _block_chains = new SortedList<int, Block>();
}

链也建完了。

后面，我们会在这个链中实现对于区块链的各种处理方法。

五、往链中增加区块

下面我们在BlockChains类中写一个往链中增加区块的方法：

private static string _hash_zero = "Initialize_Hash_By_WangPlus";

public bool addBlockData(object data)
{
    Block new_block = new Block()
    {
        time_stamp = DateTimeOffset.Now,
        data = data,
        nonce = $"{_random.Next(9999):D4}",
    };

    new_block.pre_hash = _block_chains.Count <= 0 ? _hash_zero : _block_chains.Last().Value.hash;
    new_block.hash = calculateHash(new_block);

    _block_chains.Add(_block_chains.Count + 1, new_block);

    return true;
}
private string calculateHash(Block block)
{
    if (block == null)
        return string.Empty;

    string data_json = JsonConvert.SerializeObject(block.data, Formatting.None);
    string block_string = $"{block.time_stamp.Ticks.ToString()}|{block.pre_hash}|{data_json}|{block.nonce}";

    var block_hash = new SHA256Managed().ComputeHash(Encoding.UTF8.GetBytes(block_string));

    return Convert.ToBase64String(block_hash);
}

在这个实现的方法中，

1. 第一个区块需要特殊处理，因为他的pre_hash不存在，所以我们给了一个默认的串。
2. 计算hash时，我们把区块的time_stamp、pre_hash、data、nonce全都包含在里面了。

六、验证区块

也是一个方法，加在BlockChains中：

public bool isBlockValid(int index)
{
    if (index <= 0 || index > _block_chains.Count)
        return false;

    if ((index > 1 && _block_chains[index].pre_hash != _block_chains[index - 1].hash) || (index == 1 && _block_chains[index].pre_hash != _hash_zero))
        return false;

    if (_block_chains[index].hash != calculateHash(index))
        return false;

    return true;
}
private string calculateHash(int index)
{
    return calculateHash(_block_chains[index]);
}

这个Demo中，没有实现分布存储，所以验证区块的部分，我们只做了简单验证：验证当前区块和前一个区块的hash是否匹配。

做到这儿，这个简单的区块链Demo就完成了。

七、总结和思考

上面是一个简单的区块链应用中，区块链概念的实现。

在实际应用中，我们需要理解以下内容：

1. 区块链是一个加密技术，它本身跟数据无关；
2. 区块链在形成后，是一个只读链，就是说在通常情况下，我们不会从一个链中修改或删除一个区块。因为这会导致后续所有区块的修改，这个代价很大；
3. 因为区块不可更改，所以区块中存储的数据也不可更改。如果保存的数据有错，通常是采用类似记帐的方式，用反冲记录去消除这个错误，而不是修改区块链；
4. 区块链应用中，在安全级别要求比较高的情况下，应该把开发重点放在分布存储上面。

上面Demo的代码已传到Github。

代码地址：https://github.com/humornif/Demo-Code/tree/master/0010/demo