用 Node.js 与 Crypto-JS 30 分钟打造极简区块链

关键词：区块链入门、Node.js 区块链、Crypto-JS 教程、去中心化账本、哈希算法、工作量证明、区块链测试、JavaScript 挖矿、区块结构

项目总览

要想真正理解区块链，亲手撸一个是最快的方法。本文带你用不到 200 行代码，实现一个具备链式结构、哈希校验以及区块追加功能的「玩具级」区块链，适合用作教学演示或技术入门原型。

👉 看完本文，再领一份可直接跑在浏览器里的合约演示代码！

技术背景

核心概念速记

• 区块（Block）
  每笔交易集合被打包后的数据单元，包含索引、时间戳、交易数据、前一区块哈希、自身哈希。
• 链（Chain）
  通过前一区块哈希连续指向形成的历史记录，不可篡改。
• 挖矿（Mining）
  找到符合条件的随机数，让区块哈希满足 n 个前导零的要求，确保工作量证明。

原理速览

1. 用户发起交易。
2. 节点收集交易，组成新区块。
3. 哈希指针 指向上一区块，保证时间轴不可回滚。
4. 网络通过共识算法确认区块合法性，分布式同步账本。

新手易踩坑

• 误用 MD5 等非安全哈希；请坚持 SHA-256。
• 直接 float 存储代币余额，精度易“销魂”；用整数最小单位存储。
• 把随机函数 Math.random() 用来抽节点，结果可预测，改用 Node.js 的 crypto.randomBytes()。

环境与工具

安装命令

mkdir toy-chain && cd toy-chain
npm init -y
npm i crypto-js

动手实现

1. 定义 Block 类

新建 src/block.js。
职责：计算哈希、验证数据完整性。

const crypto = require('crypto-js');

class Block {
  constructor(index, timestamp, data, previousHash = '') {
    this.index        = index;
    this.timestamp    = timestamp;
    this.data         = data;          // 可以是交易列表
    this.previousHash = previousHash;
    this.hash         = this.calculateHash();
    this.nonce        = 0;             // 挖矿计数器
  }

  calculateHash() {
    return crypto
      .SHA256(
        this.index +
        this.previousHash +
        this.timestamp +
        JSON.stringify(this.data) +
        this.nonce
      )
      .toString();
  }

  // 简易工作量证明：哈希前四位为 0
  mineBlock(difficulty = 4) {
    const target = '0'.repeat(difficulty);
    console.log(`⛏️  开始挖矿（目标：${target}...）`);
    while (this.hash.substring(0, difficulty) !== target) {
      this.nonce++;
      this.hash = this.calculateHash();
    }
    console.log(`🎯 挖到啦！Nonce=${this.nonce}, Hash=${this.hash}`);
  }
}

module.exports = Block;

2. 定义 Blockchain 类

新建 src/blockchain.js。
职责：维护链式结构、提供校验与追加逻辑。

const Block = require('./block');

class Blockchain {
  constructor() {
    this.chain = [this.createGenesisBlock()];
    this.difficulty = 4;
  }

  createGenesisBlock() {
    return new Block(0, Date.now(), '创世区块', '0');
  }

  getLatestBlock() {
    return this.chain[this.chain.length - 1];
  }

  addBlock(newBlock) {
    newBlock.previousHash = this.getLatestBlock().hash;
    newBlock.mineBlock(this.difficulty);
    this.chain.push(newBlock);
  }

  // 校验链完整性
  isValid() {
    for (let i = 1; i < this.chain.length; i++) {
      const cur  = this.chain[i];
      const prev = this.chain[i - 1];

      if (cur.hash !== cur.calculateHash()) return false;
      if (cur.previousHash !== prev.hash)   return false;
    }
    return true;
  }

  // 打印链的 JSON
  toJSON() {
    return JSON.stringify(this.chain, null, 2);
  }
}

module.exports = Blockchain;

3. 启动脚本

新建 src/main.js。

const Blockchain = require('./blockchain');
const Block      = require('./block');

const ledger = new Blockchain();
ledger.addBlock(new Block(1, Date.now(), { amount: 4 }));
ledger.addBlock(new Block(2, Date.now(), { amount: 8 }));

console.log('🧾 账本内容', ledger.toJSON());
console.log('✅ 有效性检查：', ledger.isValid());

运行效果

node src/main.js
⛏️  开始挖矿（目标：0000...）
🎯 挖到啦！Nonce=38765, Hash=0000abc...
...
✅ 有效性检查：true

FAQ | 常见问题

Q1：为什么仅仅四位的 0 前缀就能模拟挖矿？
答：真实比特币主网用的是 16 进制后立即转成 256 位哈希，前缀零数 ≈ 全网算力动态调整，这里简化为常数仅为教学。

Q2：交易列表/data 可以是数组吗？
答：可以。只需把 data 换成对象，例如 { transactions: [...] }，再去 calculateHash 里序列化即可。

Q3：Nonce 重复或溢出会被区块链拒绝吗？
答：当前演示代码无此逻辑。生产网会通过最大 Nonce 保护及难度调整共同保障。

Q4：如何让多个节点共享同一份账本？
答：引入 P2P 网络层（如 libp2p），广播新区块并进行共识（PoW/PoS）投票，再替换本地最长链。

Q5：客户端怎么防止双花？
答：只有在最长累计工作量链上的交易才被承认。矿工实时监听网络，若发现冲突交易，仅纳入手续费更高的那笔。

示例扩展

交易类

class Transaction {
  constructor(from, to, amount) {
    this.from   = from;
    this.to     = to;
    this.amount = amount;
  }
}
module.exports = Transaction;

在 Block 的 data 字段传入 Transaction[] 即可模拟转账场景。

单位测试

添加 tests/block.test.js（使用 Jest）：

npm i -D jest

test('hash integrity', () => {
  const b = new Block(0, Date.now(), {});
  const snapshot = b.hash;
  b.data.amount = 999;
  expect(b.hash).toBe(snapshot); // 应为 false
});

运行 npx jest --watch。

性能与安全优化

• 空间：使用 LevelDB 存储链式数据，减少内存占用。
• 速度：用 Merkle Tree 取代完整交易列表哈希，提高校验效率。
• 安全：对交易字段做 ECDSA 签名验证，隔离双花与伪造。
• 共识：将 PoW 换成 PBFT（联盟链场景），单核 CPU 即可秒级出块。

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下一步：从「玩具」迈向「生产级」

1. 引入 钱包体系：生成密钥对 + 离线签名。
2. 增加 UTXO 模型：比特币式资金控制，兼容多笔输入输出。
3. 搭建 RESTful API：Express 开放 /blocks、/transactions 端点，供前端 DApp 交互。
4. 接入 WebSocket：实时广播新块，防止因块高度不一致产生分叉。

结语

通过本文，你已学会用 Node.js 与 Crypto-JS 快速搭建一条可做演示的区块链原型。它虽简，却涵盖哈希、链式存储、工作量证明三大关键组件，为深入阅读以太坊源码或 Hyperledger Fabric 打下坚实基础。下一步，动手写 API 吧！