一、产品方案

1. 项目背景

本项目旨在实现一个基础区块链系统原型，用于演示区块链核心技术原理，包括分布式账本、工作量证明（PoW）、哈希链式结构、数据持久化等核心概念。目标用户为区块链技术学习者、教育机构及需要快速验证区块链原型的开发者。

2. 核心功能

功能模块	功能描述
创世块生成	自动创建包含初始交易的创世块，初始化区块链
区块挖矿	支持通过调整 Nonce 值进行 PoW 挖矿，满足指定难度要求的哈希前缀
交易存储	支持存储文本型交易数据，每个区块可包含多个交易
区块链可视化	命令行界面展示区块链完整结构（时间戳、哈希、Nonce、交易列表）
数据持久化	使用嵌入式数据库实现区块链状态保存，支持重启后数据恢复
完整性验证	通过哈希链式结构确保区块不可篡改

3. 用户场景

• 教学演示： 教师展示区块链核心机制，学生可直观观察挖矿过程及链式结构
• 原型验证： 开发者快速搭建测试环境，验证区块链相关算法改进方案
• 研究实验： 研究人员调整难度参数，测试不同配置下的区块链性能表现

二、技术方案

1. 系统架构

graph TD
    A[CLI界面] --> B[区块链管理器]
    B --> C[区块链核心]
    C --> D[区块结构]
    C --> E[工作量证明]
    B --> F[持久化存储]

    subgraph 核心模块
        C --> D
        D --> G[区块头]
        D --> H[交易列表]
        E --> I[哈希计算]
    end

    subgraph 数据层
        F --> J[sled数据库]
    end

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2. 模块设计

2.1 BlockchainManager

• 职责： 区块链生命周期管理
• 关键实现：

impl BlockchainManager {
    // 初始化/加载区块链
    pub fn new(db_path: &str) -> Result<Self, Error> {
        let db = sled::open(db_path)?;
        // 反序列化逻辑...
    }

    // 状态持久化
    pub fn save(&self) -> Result<()> {
        let serialized = bincode::serialize(&self.blockchain)?;
        self.db.insert("blockchain", serialized)?;
    }
}

2.2 Blockchain

• 数据结构：

pub struct Blockchain {
    pub chain: Vec<Block>,   // 区块链
    pub difficulty: u32,     // 当前难度
}

• 核心方法：
  • new(): 初始化含创世块的区块链
  • add_block(): 添加经过验证的新区块
  • 迭代器模式实现正向/反向遍历

2.3 Block & BlockHeader

• 区块结构：

pub struct Block {
    pub header: BlockHeader,     // 区块头
    pub transactions: Vec<String>, // 交易数据
    pub hash: Vec<u8>,           // 当前哈希
}

pub struct BlockHeader {
    pub timestamp: u64,         // 时间戳
    pub prev_hash: Vec<u8>,     // 前驱哈希
    pub nonce: u64,             // 工作量证明
    pub difficulty: u32,        // 挖矿难度
}

• 挖矿算法：

fn mine(&mut self) {
    while !is_valid_hash(&self.hash, self.difficulty) {
        self.header.nonce += 1;
        self.hash = self.calculate_hash();
    }
}

3. 关键技术

• 哈希算法： SHA-256 保证数据指纹唯一性
• 持久化方案： sled 嵌入式 KV 数据库（ACID 特性）
• 序列化： bincode 二进制序列化协议
• 难度控制： 前 N 位零比特校验算法