用120行Java程式碼寫一個自己的區塊鏈
區塊鏈是目前最熱門的話題，廣大讀者都聽說過比特幣，或許還有智慧合約，相信大家都非常想了解這一切是如何工作的。這篇文章就是幫助你使用 Java 語言來實現一個簡單的區塊鏈，用不到 120 行程式碼來揭示區塊鏈的原理！
“用不到120行 Java 程式碼就能實現一個自己的區塊鏈！” 聽起來不可思議吧？有什麼能比開發一個自己的區塊鏈更好的學習實踐方法呢？那我們就一起來實踐下！
因為我們是一家從事網際網路金融的科技公司，所以我們採用虛擬資產金額作為這篇文章中的示例資料。大家可以先為自己想一個數字，後面我們會用到。
通過本文，你將可以做到：
- 建立自己的區塊鏈
- 理解 hash 函式是如何保持區塊鏈的完整性的
- 如何創造並新增新的塊
- 多個節點如何競爭生成塊
- 通過瀏覽器來檢視整個鏈
- 所有其他關於區塊鏈的基礎知識
但是，對於比如工作量證明演算法（PoW）以及權益證明演算法（PoS）這類的共識演算法文章中將不會涉及。同時為了讓你更清楚得檢視區塊鏈以及塊的新增，我們將網路互動的過程簡化了，關於 P2P 網路比如“對等網路”等內容將在將來的文章中講解。
讓我們開始吧！
設定
我們假設你已經具備一點 Java 語言的開發經驗，以及maven專案構建經驗。在安裝和配置 Java 開發環境後之後，我們新建maven專案，在pom中增加一些依賴：
| <!-- 超小型web框架 --> <dependency> <groupId>com.sparkjava</groupId> <artifactId>spark-core</artifactId> <version>${spark.version}</version> </dependency> |
Spark-web Framework是一個基於jetty的超小型框架，我們用它來寫http訪問的請求處理。
| <dependency> <groupId>commons-codec</groupId> <artifactId>commons-codec</artifactId> <version>${commons.codec.version}</version> </dependency> |
這個通用包擁有幾乎所有加解密演算法及常規操作
| <dependency> <groupId>com.google.code.gson</groupId> <artifactId>gson</artifactId> <version>2.8.2</version> </dependency> |
Google的json包，當然你可以使用你喜歡的其他json包。
最後，增加log相關的包
| <!-- log start --> <dependency> <groupId>log4j</groupId> <artifactId>log4j</artifactId> <version>${log4j.version}</version> </dependency> <dependency> <groupId>org.slf4j</groupId> <artifactId>slf4j-api</artifactId> <version>${slf4j.version}</version> </dependency> <dependency> <groupId>org.slf4j</groupId> <artifactId>slf4j-log4j12</artifactId> <version>${slf4j.version}</version> </dependency> <!-- log end --> |
相關版本屬性設定
| <properties> <commons.codec.version>1.9</commons.codec.version> <spark.version>2.6.0</spark.version> <slf4j.version>1.6.6</slf4j.version> <log4j.version>1.2.17</log4j.version> <gson.version>2.8.2</gson.version> </properties> |
接下來，我們建立一個 SparkWeb.java檔案。之後我們的大部分工作都圍繞這個檔案，讓我開始編碼吧！
資料模型
我們來定義一個Block類，它代表組成區塊鏈的每一個塊的資料模型：
| public class Block { /**是這個塊在整個鏈中的位置*/ private int index; /**顯而易見就是塊生成時的時間戳*/ private String timestamp; /**虛擬資產。我們要記錄的資料*/ private int vac; /**是這個塊通過 SHA256 演算法生成的雜湊值*/ private String hash; /**指向前一個塊的 SHA256 雜湊值*/ private String prevHash;
/** getters and setters**/ } |
接著，我們再定義一個結構表示整個鏈，最簡單的表示形式就是一個 Block 的 順序表：
| ArrayList<Block> blockChain |
我們使用雜湊演算法（SHA256）來確定和維護鏈中塊和塊正確的順序，確保每一個塊的 PrevHash 值等於前一個塊中的 Hash 值，這樣就以正確的塊順序構建出鏈：
[ index:0| hash:"xxxw"| preHash:""] - [ index:1| hash:"xxxx"| preHash:"xxxw"] - [ index2| hash:"xxxy"| preHash:"xxxx"]
雜湊和生成塊
我們為什麼需要雜湊？主要是兩個原因：
- 在節省空間的前提下去唯一標識資料。雜湊是用整個塊的資料計算得出，在我們的例子中，將整個塊的資料通過 SHA256 計算成一個定長不可偽造的字串。
- 維持鏈的完整性。通過儲存前一個塊的雜湊值，我們就能夠確保每個塊在鏈中的正確順序。任何對資料的篡改都將改變雜湊值，同時也就破壞了鏈。以我們從事的醫療健康領域為例，比如有一個惡意的第三方為了調整“人壽險”的價格，而修改了一個或若干個塊中的代表不健康的 VAC 值，那麼整個鏈都變得不可信了。
我們接著寫一個函式，用來計算給定的資料的 SHA256 雜湊值：
| public static String calculateHash(Block block) { String record = (block.getIndex()) + block.getTimestamp() + (block.getVac()) + block.getPrevHash(); return SHA256.crypt(record); } |
接下來我們就能得到一個生成塊的函式：
| public static Block generateBlock(Block oldBlock, int vac) { Block newBlock = new Block(); newBlock.setIndex(oldBlock.getIndex() + 1); newBlock.setTimestamp(new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss").format(new Date())); newBlock.setVac(vac); newBlock.setPrevHash(oldBlock.getHash()); newBlock.setHash(calculateHash(newBlock)); return newBlock; } |
其中，Index 是從給定的前一塊的 Index 遞增得出，時間戳是直接通過 new Date() 函式來獲得的，Hash 值通過前面的 calculateHash 函式計算得出，PrevHash 則是給定的前一個塊的 Hash 值。
校驗塊
搞定了塊的生成，接下來我們需要有函式幫我們判斷一個塊是否有被篡改。檢查 Index 來看這個塊是否正確得遞增，檢查 PrevHash 與前一個塊的 Hash 是否一致，再來通過 calculateHash 檢查當前塊的 Hash 值是否正確。通過這幾步我們就能寫出一個校驗函式：
| public static boolean isBlockValid(Block newBlock, Block oldBlock) { if (oldBlock.getIndex() + 1 != newBlock.getIndex()) { return false; } if (!oldBlock.getHash().equals(newBlock.getPrevHash())) { return false; } if (!calculateHash(newBlock).equals(newBlock.getHash())) { return false; } return true; } |
除了校驗塊以外，我們還會遇到一個問題：兩個節點都生成塊並新增到各自的鏈上，那我們應該以誰為準？這裡的細節我們留到下一篇文章，這裡先讓我們記住一個原則：始終選擇最長的鏈。
[block 1] -> [block 2] -> [block 3] -> [block 4] -> [block 5] -> 認可
[block 1] -> [block 2] -> [block 3] -> [block 4] -> 丟棄
通常來說，更長的連結串列示它的資料（狀態）是更加新的，所以我們需要一個函式能幫我們將本地的過期的鏈切換成最新的鏈：
| public void replaceChain(ArrayList<Block> newBlocks) { if (newBlocks.size() > blockChain.size()) { blockChain = newBlocks; } } |
到這一步，我們基本就把所有重要的函式完成了。接下來，我們需要一個方便直觀的方式來檢視我們的鏈，包括資料及狀態。通過瀏覽器檢視 web 頁面可能是最合適的方式。
Web 服務
我猜你一定對傳統的 web 服務及開發非常熟悉，所以這部分你肯定一看就會。
藉助 Spark Web Framework，來完成我們的 web 服務，程式碼如下：
| public static void main(String[] args) { // port(5678); //預設埠是4567，你可以設定別的埠 } |
OK，完成，對，你沒看錯，就是一個空的main方法，就可以了。
接下來我們定義不同 endpoint 以及對應的 handler。例如，對“/”的 GET 請求我們可以檢視整個鏈，對“/”的 POST 請求可以建立一個新的塊。
GET 請求的 handler：
| get("/", (q, a) ->{return gson.toJson(blockChain)}); |
為了簡化，我們直接以 JSON 格式返回整個鏈，你可以在瀏覽器中訪問 localhost:4567 或者 127.0.0.1:4567 來檢視
POST 請求的 handler 稍微有些複雜，我們先來定義一下 POST 請求的 payload：
| public class Message { private int vac; //getters and setters } |
再看看 handler 的實現：
| post("/", (q, a) -> { String body = request.body(); Message m = gson.fromJson(body, Message.class); if (m == null) { return "vac is NULL"; } int vac = m.getVac(); Block lastBlock = blockChain.get(blockChain.size() - 1); Block newBlock = generateBlock(lastBlock, vac); if (isBlockValid(newBlock, lastBlock)) { blockChain.add(newBlock); LOGGER.debug(gson.toJson(blockChain)); } else { return "HTTP 500: Invalid Block Error"; } return "success!"; }); |
我們的 POST 請求體中可以使用上面定義的 payload，比如：
{"vac":7500}
還記得前面我們寫的 generateBlock 這個函式嗎？它接受一個“前一個塊”引數，和一個 VAC 值。POST handler 接受請求後就能獲得請求體中的 VAC 值，接著藉助生成塊的函式以及校驗塊的函式就能生成一個新的塊了！
除此之外，你也可以：
- 使用new GsonBuilder().setPrettyPrinting().create()這個函式可以以非常美觀和方便閱讀的方式將資料json化列印在控制檯裡，方便除錯。
- 測試 POST 請求時，可以使用 POSTMAN 這個 chrome 外掛，相比 curl它更直觀和方便。也可以使用RESTClient這個FireFox外掛。
快要大功告成了
接下來，我們把這些關於區塊鏈的函式，web 服務的函式“組裝”起來：最重要的是，我們需要產生第一個塊（創世塊），來作為區塊鏈的頭。
| //創世塊 Block genesisBlock = new Block(); genesisBlock.setIndex(0); genesisBlock.setTimestamp(new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss").format(new Date())); genesisBlock.setVac(0); genesisBlock.setPrevHash(""); genesisBlock.setHash(calculateHash(genesisBlock)); blockChain.add(genesisBlock); |
這裡的 genesisBlock （創世塊）是 main 函式中最重要的部分，通過它來初始化區塊鏈，畢竟要有一個開始，第一個塊的 PrevHash 是空的。
哦耶！完成了
讓我們來啟動它：
在終端中，我們可以看到 web 伺服器啟動的日誌資訊，並且打印出了創世塊的資訊：
| [INFO ] 2018-02-08 10:58:26 [email protected](SparkWeb.java:132):[ |
接著我們開啟瀏覽器，訪問 http://localhost:4567 這個地址，我們可以看到頁面中展示了當前整個區塊鏈的資訊（當然，目前只有一個創世塊）：
| { "index": 0, "timestamp": "2018-02-08 10:58:25", "vac": 0, "hash": "7c2d2db62a82ac8aa3d843ff837c604d8bd17800f4c466d472c5df185b8967fa", "prevHash": "" } |
接著，我們再通過 RESRClient來發送一些 POST 請求：post http://localhost:4567/ {"vac":15} [send];
或者使用curl命令：curl -X POST -i http://localhost:4567/ --data '{"vac":125}'。
重新整理剛才的http://localhost:4567 頁面，現在的鏈中多了一個塊，正是我們剛才生成的，同時可以看到，塊的順序和雜湊值都正確。
原始碼:https://github.com/Mignet/blockchain
下一步
剛剛我們完成了一個自己的區塊鏈，雖然很簡單很簡陋，但它具備塊生成、雜湊計算、塊校驗等基本能力。接下來你就可以繼續深入的學習區塊鏈的其他重要知識，比如工作量證明、權益證明這樣的共識演算法，或者是智慧合約、Dapp、側鏈等等。當然，最重要的一點，作為去中心化的技術，維護一個在啟動時可以連線的對等節點列表，進行peer to peer的通訊也是區塊鏈技術必不可少的核心部分。