300行ABAP代码实现一个最简单的区块链原型

2018-05-06 1301

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简介：

不知从什么时候起，区块链在网上一下子就火了。

这里Jerry就不班门弄斧了，网上有太多的区块链介绍文章。我的这篇文章没有任何高大上的术语，就是300行ABAP代码，实现一个最简单的区块链原型。

我个人觉得，同区块链本身的实现技术相比，更难的事情是如何找到一个合适的业务场景，把区块链集成到SAP产品中去，让它发挥出作用。

这篇文章包含三个版本，每个版本在前一版本基础上增添了一些新的功能。

版本1：区块和链这两个数据结构的实现

区块链，顾名思义，由区块组成的一条链。

下图和我们在大学计算机专业课《数据结构》里学到的单链表很像。在这个版本里，每个区块包含了最基本的字段：块索引，块的创建时间戳，当前块的哈希值(hash)和前一块的哈希值。每个区块的pHash字段存储了前一块的哈希值，这样就构成了一个链表。链表的第一个节点，就是下图最左边红色抬头的区块为创世块，其索引为0，pHash字段为空。

区块的ABAP实现：ZCL_BLOCK。上图所示的字段都建模在这个类里，出于简单起见，大部分字段设置为public。

每个区块的哈希值是由该区块所有其他字段的值作为输入，通过SHA1算法计算出来，存储到字段mv_hash里。

链的实现：ZCL_BLOCKCHAIN

ADD_BLOCK: 接受一个区块的实例作为输入参数，将该实例的pHash指向当前链表尾部的区块，这样该实例成为链表新的尾部区块。
CONSTRUCTOR: 构造函数，执行链的初始化操作，创建创世块区块。
GET_BLOCK_BY_INDEX: 根据索引访问指定的区块。
GET_SIZE: 返回链里包含的区块数量。
IS_VALID: 检查该区块链是否有效。具体检查逻辑在后续介绍。

第一版的所有代码在我的github上。

执行测试程序ZBLOCKCHAIN_V1，输入您想创建的区块个数，会看到如下输出：（我选择的个数是5）

因为SAP GUI没有链表的UI控件，因此我用树控件模拟。

下图第21行，我把区块链里索引为1的区块内容篡改为"Change by Jerry", 然后再执行第23行的is_valid方法进行检查:

因为第21行set_data方法修改了第一个区块的内容后，会触发其哈希值的重新计算。这样第一个区块的哈希发生了变化（假设从YYY变到了CCC），而第二个区块的pHash仍然指向第一个区块变化之前的旧哈希值YYY，因此这个区块链被判定为无效。

上图的输出来自校验方法is_valid: 遍历链里每个区块，比较区块里存储前一区块哈希值的字段pHash和位于该区块前一个位置的区块的哈希值是否一致。

版本2：增加挖矿成本，增加对工作量证明(Proof of Work，缩写为POW)的支持

第二版代码的地址在我的github上。

这一版的链实现类ZCL_BLOCKCHAIN_V2的构造函数增加了一个输入参数：iv_difficulty。这个参数有什么用？

仔细观察第一版测试程序的树状输出，可以看到每个区块的哈希值没有任何规律。而第二版的这个输入参数就是为了提高哈希值的计算成本，即只有当计算出来的哈希值满足一定规则时，该哈希值才能被区块链所接受。参数iv_difficulty定义了能够被接受的哈希值的前导零个数。

例如我指定前导零个数为3：

执行结果：能看到所有的哈希值的前三位都为零。

这里有两个问题：

下图最后一列Nonce的含义是什么？
iv_difficulty这个参数是如何参与哈希值计算的呢？

首先在区块的实现类ZCL_BLOCK里增加了一个新的成员字段mv_nonce:

在将一个区块实例添加到链里的方法add_block里，增加了一个方法mine。

这个方法里是一个循环，在循环体内计算出一个哈希值，然后检查其是否包含指定位数的前导零。如果没有，将mv_nonce加1，然后继续循环。mv_nonce也会作为输入的一部分参与哈希计算。也就是说，最终区块字段mv_nonce的值代表了代表了在得到符合前导零位数要求的合法哈希值之前，一共经过了多少次计算。而通过在循环里不断尝试最终得到一个合法的哈希值的这一过程，就是区块链圈内俗称的“挖矿”。