【譯】用Java建立你的第一個區塊鏈-part1

阿新 • • 發佈：2019-01-03

區塊鏈是分散式資料儲存、點對點傳輸、共識機制、加密演算法等計算機技術的新型應用模式。所謂共識機制是區塊鏈系統中實現不同節點之間建立信任、獲取權益的數學演算法。

前言

本系列教程旨在幫助你瞭解如何開發區塊鏈技術。

本章目標

建立你第一個非常基本的區塊鏈
實現一個簡單的工作量證明系統即挖礦
在此基礎上進行擴充套件

（我會假設你對面向物件程式設計有基本的瞭解）

值得注意的是，這裡建立的區塊鏈並不是功能完全的完全適合應用與生產的區塊鏈，相反只是為了幫助你更好的理解區塊鏈的概念。

建立區塊鏈

區塊鏈就是一串或者是一系列區塊的集合，類似於連結串列的概念，每個區塊都指向於後面一個區塊，然後順序的連線在一起。那麼每個區塊中的內容是什麼呢？在區塊鏈中的每一個區塊都存放了很多很有價值的資訊，主要包括三個部分：自己的數字簽名，上一個區塊的數字簽名，還有一切需要加密的資料（這些資料在比特幣中就相當於是交易的資訊，它是加密貨幣的本質）。每個數字簽名不但證明了自己是特有的一個區塊，而且指向了前一個區塊的來源，讓所有的區塊在鏈條中可以串起來，而資料就是一些特定的資訊，你可以按照業務邏輯來儲存業務資料。

這裡的hash指的就是數字簽名

所以每一個區塊不僅包含前一個區塊的hash值，同時包含自身的一個hash值，自身的hash值是通過之前的hash值和資料data通過hash計算出來的。如果前一個區塊的資料一旦被篡改了，那麼前一個區塊的hash值也會同樣發生變化（因為資料也被計算在內），這樣也就導致了所有後續的區塊中的hash值。所以計算和比對hash值會讓我們檢查到當前的區塊鏈是否是有效的，也就避免了資料被惡意篡改的可能性，因為篡改資料就會改變hash值並破壞整個區塊鏈。

定義區塊鏈的類快

import java.util.Date;

public class Block 
 {

    public String hash;
    public String previousHash;
    private String data; //our data will be a simple message.
    private long timeStamp; //as number of milliseconds since 1/1/1970.

    //Block Constructor.
    public Block(String data,String previousHash ) {
        this.data = data;
        this 
.previousHash = previousHash;
        this.timeStamp = new Date().getTime();
    }
}

正如你可以看到我們的基本塊包含String hash，它將儲存我們的數字簽名。變數previoushash儲存前一個塊的hash和String data來儲存我們的塊資料

建立數字簽名

熟悉加密演算法的朋友們，Java方式可以實現的加密方式有很多，例如BASE、MD、RSA、SHA等等，我在這裡選用了SHA256這種加密方式，SHA（Secure Hash Algorithm）安全雜湊演算法，這種演算法的特點是資料的少量更改會在Hash值中產生不可預知的大量更改，hash值用作表示大量資料的固定大小的唯一值，而SHA256演算法的hash值大小為256位。之所以選用SHA256是因為它的大小正合適，一方面產生重複hash值的可能性很小，另一方面在區塊鏈實際應用過程中，有可能會產生大量的區塊，而使得資訊量很大，那麼256位的大小就比較恰當了。

下面我建立了一個StringUtil方法來方便呼叫SHA256演算法

import java.security.MessageDigest;

public class StringUtil {
    //Applies Sha256 to a string and returns the result. 
    public static String applySha256(String input){     
        try {
            MessageDigest digest = MessageDigest.getInstance("SHA-256");            
            //Applies sha256 to our input, 
            byte[] hash = digest.digest(input.getBytes("UTF-8"));           
            StringBuffer hexString = new StringBuffer(); // This will contain hash as hexidecimal
            for (int i = 0; i < hash.length; i++) {
                String hex = Integer.toHexString(0xff & hash[i]);
                if(hex.length() == 1) hexString.append('0');
                hexString.append(hex);
            }
            return hexString.toString();
        }
        catch(Exception e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }   
}

或許你完全不理解上述程式碼的含義，但是你只要理解所有的輸入呼叫此方法後均會生成一個獨一無二的hash值（數字簽名），而這個hash值在區塊鏈中是非常重要的。

接下來讓我們在Block類中應用方法 applySha256 方法，其主要的目的就是計算hash值，我們計算的hash值應該包括區塊中所有我們不希望被惡意篡改的資料，在我們上面所列的Block類中就一定包括previousHash，data和timeStamp，

public String calculateHash() {
    String calculatedhash = StringUtil.applySha256( 
            previousHash +
            Long.toString(timeStamp) +
            data 
            );
    return calculatedhash;
}

然後把這個方法加入到Block的建構函式中去

public Block(String data,String previousHash ) {
        this.data = data;
        this.previousHash = previousHash;
        this.timeStamp = new Date().getTime();
        this.hash = calculateHash(); //Making sure we do this after we set the other values.
    }

測試

在主方法中讓我們建立一些區塊，並把其hash值打印出來，來看看是否一切都在我們的掌控中。

第一個塊稱為創世紀區塊，因為它是頭區塊，所以我們只需輸入“0”作為前一個塊的previous hash。

public class NoobChain {

    public static void main(String[] args) {

        Block genesisBlock = new Block("Hi im the first block", "0");
        System.out.println("Hash for block 1 : " + genesisBlock.hash);

        Block secondBlock = new Block("Yo im the second block",genesisBlock.hash);
        System.out.println("Hash for block 2 : " + secondBlock.hash);

        Block thirdBlock = new Block("Hey im the third block",secondBlock.hash);
        System.out.println("Hash for block 3 : " + thirdBlock.hash);

    }
}

列印：

Hash for block 1: f6d1bc5f7b0016eab53ec022db9a5d9e1873ee78513b1c666696e66777fe55fb
Hash for block 2: 6936612b3380660840f22ee6cb8b72ffc01dbca5369f305b92018321d883f4a3
Hash for block 3: f3e58f74b5adbd59a7a1fc68c97055d42e94d33f6c322d87b29ab20d3c959b8f

每一個區塊都必須要有自己的資料簽名即hash值，這個hash值依賴於自身的資訊（data）和上一個區塊的數字簽名（previousHash），但這個還不是區塊鏈，下面讓我們儲存區塊到陣列中，這裡我會引入gson包，目的是可以用json方式檢視整個一條區塊鏈結構。


import java.util.ArrayList;
import com.google.gson.GsonBuilder;

public class NoobChain {

    public static ArrayList<Block> blockchain = new ArrayList<Block>(); 

    public static void main(String[] args) {    
        //add our blocks to the blockchain ArrayList:
        blockchain.add(new Block("Hi im the first block", "0"));        
        blockchain.add(new Block("Yo im the second block",blockchain.get(blockchain.size()-1).hash)); 
        blockchain.add(new Block("Hey im the third block",blockchain.get(blockchain.size()-1).hash));

        String blockchainJson = new GsonBuilder().setPrettyPrinting().create().toJson(blockchain);      
        System.out.println(blockchainJson);
    }

}

這樣的輸出結構就更類似於我們所期待的區塊鏈的樣子。

檢查區塊鏈的完整性

在主方法中增加一個isChainValid()方法，目的是迴圈區塊鏈中的所有區塊並且比較hash值，這個方法用來檢查hash值是否是於計算出來的hash值相等，同時previousHash值是否和前一個區塊的hash值相等。或許你會產生如下的疑問，我們就在一個主函式中建立區塊鏈中的區塊，所以不存在被修改的可能性，但是你要注意的是，區塊鏈中的一個核心概念就是去中心化，每一個區塊可能是在網路中的某一個節點中產生的，所以很有可能某個節點把自己節點中的資料修改了，那麼根據上述的理論資料改變會導致整個區塊鏈的破裂，也就是區塊鏈就無效了。

public static Boolean isChainValid() {
    Block currentBlock; 
    Block previousBlock;

    //loop through blockchain to check hashes:
    for(int i=1; i < blockchain.size(); i++) {
        currentBlock = blockchain.get(i);
        previousBlock = blockchain.get(i-1);
        //compare registered hash and calculated hash:
        if(!currentBlock.hash.equals(currentBlock.calculateHash()) ){
            System.out.println("Current Hashes not equal");         
            return false;
        }
        //compare previous hash and registered previous hash
        if(!previousBlock.hash.equals(currentBlock.previousHash) ) {
            System.out.println("Previous Hashes not equal");
            return false;
        }
    }
    return true;
}

任何區塊鏈中區塊的一絲一毫改變都會導致這個函式返回false，也就證明了區塊鏈無效了。

在比特幣網路中所有的網路節點都分享了它們各自的區塊鏈，然而最長的有效區塊鏈是被全網所統一承認的，如果有人惡意來篡改之前的資料，然後建立一條更長的區塊鏈並全網釋出呈現在網路中，我們該怎麼辦呢？這就涉及到了區塊鏈中另外一個重要的概念工作量證明，這裡就不得不提及一下hashcash，這個概念最早來自於Adam Back的一篇論文，主要應用於郵件過濾和比特幣中防止雙重支付。

挖礦

這裡我們要求挖礦者做工作量證明，具體的方式是在區塊中嘗試不同的引數值直到它的hash值是從一系列的0開始的。讓我們新增一個名為nonce的int型別以包含在我們的calculatehash（）方法中，以及需要的mineblock（）方法

import java.util.Date;

public class Block {

    public String hash;
    public String previousHash; 
    private String data; //our data will be a simple message.
    private long timeStamp; //as number of milliseconds since 1/1/1970.
    private int nonce;

    //Block Constructor.  
    public Block(String data,String previousHash ) {
        this.data = data;
        this.previousHash = previousHash;
        this.timeStamp = new Date().getTime();

        this.hash = calculateHash(); //Making sure we do this after we set the other values.
    }

    //Calculate new hash based on blocks contents
    public String calculateHash() {
        String calculatedhash = StringUtil.applySha256( 
                previousHash +
                Long.toString(timeStamp) +
                Integer.toString(nonce) + 
                data 
                );
        return calculatedhash;
    }

    public void mineBlock(int difficulty) {
        String target = new String(new char[difficulty]).replace('\0', '0'); //Create a string with difficulty * "0" 
        while(!hash.substring( 0, difficulty).equals(target)) {
            nonce ++;
            hash = calculateHash();
        }
        System.out.println("Block Mined!!! : " + hash);
    }
}

mineBlock()方法中引入了一個int值稱為difficulty難度，低的難度比如1和2，普通的電腦基本都可以馬上計算出來，我的建議是在4-6之間進行測試，普通電腦大概會花費3秒時間，在萊特幣中難度大概圍繞在442592左右，而在比特幣中每一次挖礦都要求大概在10分鐘左右，當然根據所有網路中的計算能力，難度也會不斷的進行修改。

我們在NoobChain類中增加difficulty這個靜態變數。

public static int difficulty = 5;

這樣我們必須修改主方法中讓建立每個新區塊時必須觸發mineBlock()方法，而isChainValid()方法用來檢查每個區塊的hash值是否正確，整個區塊鏈是否是有效的。

import java.util.ArrayList;
import com.google.gson.GsonBuilder;

public class NoobChain {

    public static ArrayList<Block> blockchain = new ArrayList<Block>();
    public static int difficulty = 5;

    public static void main(String[] args) {    
        //add our blocks to the blockchain ArrayList:

        blockchain.add(new Block("Hi im the first block", "0"));
        System.out.println("Trying to Mine block 1... ");
        blockchain.get(0).mineBlock(difficulty);

        blockchain.add(new Block("Yo im the second block",blockchain.get(blockchain.size()-1).hash));
        System.out.println("Trying to Mine block 2... ");
        blockchain.get(1).mineBlock(difficulty);

        blockchain.add(new Block("Hey im the third block",blockchain.get(blockchain.size()-1).hash));
        System.out.println("Trying to Mine block 3... ");
        blockchain.get(2).mineBlock(difficulty);    

        System.out.println("\nBlockchain is Valid: " + isChainValid());

        String blockchainJson = new GsonBuilder().setPrettyPrinting().create().toJson(blockchain);
        System.out.println("\nThe block chain: ");
        System.out.println(blockchainJson);
    }

    public static Boolean isChainValid() {
        Block currentBlock; 
        Block previousBlock;
        String hashTarget = new String(new char[difficulty]).replace('\0', '0');

        //loop through blockchain to check hashes:
        for(int i=1; i < blockchain.size(); i++) {
            currentBlock = blockchain.get(i);
            previousBlock = blockchain.get(i-1);
            //compare registered hash and calculated hash:
            if(!currentBlock.hash.equals(currentBlock.calculateHash()) ){
                System.out.println("Current Hashes not equal");         
                return false;
            }
            //compare previous hash and registered previous hash
            if(!previousBlock.hash.equals(currentBlock.previousHash) ) {
                System.out.println("Previous Hashes not equal");
                return false;
            }
            //check if hash is solved
            if(!currentBlock.hash.substring( 0, difficulty).equals(hashTarget)) {
                System.out.println("This block hasn't been mined");
                return false;
            }
        }
        return true;
    }
}

列印：

Connected to the target VM, address: '127.0.0.1:61863', transport: 'socket'
Trying to Mine block 1... 
Block Mined!!! : 0000016667d4240e9c30f53015310b0ec6ce99032d7e1d66d670afc509cab082
Trying to Mine block 2... 
Block Mined!!! : 000002ea55735bea4cac7e358c7b0d8d81e8ca24021f5f85211bf54fd4ac795a
Trying to Mine block 3... 
Block Mined!!! : 000000576987e5e9afbdf19b512b2b7d0c56db0e6ca49b3a7e638177f617994b

Blockchain is Valid: true
[
  {
    "hash": "0000016667d4240e9c30f53015310b0ec6ce99032d7e1d66d670afc509cab082",
    "previousHash": "0",
    "data": "first",
    "timeStamp": 1520659506042,
    "nonce": 618139
  },
  {
    "hash": "000002ea55735bea4cac7e358c7b0d8d81e8ca24021f5f85211bf54fd4ac795a",
    "previousHash": "0000016667d4240e9c30f53015310b0ec6ce99032d7e1d66d670afc509cab082",
    "data": "second",
    "timeStamp": 1520659508825,
    "nonce": 1819877
  },
  {
    "hash": "000000576987e5e9afbdf19b512b2b7d0c56db0e6ca49b3a7e638177f617994b",
    "previousHash": "000002ea55735bea4cac7e358c7b0d8d81e8ca24021f5f85211bf54fd4ac795a",
    "data": "third",
    "timeStamp": 1520659515910,
    "nonce": 1404341
  }
]

經過測試增加一個新的區塊即挖礦必須花費一定時間，大概是3秒左右，你可以提高difficulty難度來看，它是如何影響資料難題所花費的時間的

如果有人在你的區塊鏈系統中惡意篡改資料：

他們的區塊鏈是無效的。
他們無法建立更長的區塊鏈
網路中誠實的區塊鏈會在長鏈中更有時間的優勢

因為篡改的區塊鏈將無法趕上長鏈和有效鏈，除非他們比你網路中所有的節點擁有更大的計算速度，可能是未來的量子計算機或者是其他什麼。

你已經完成了你的基本區塊鏈！

你的區塊鏈：

有很多區塊組成用來儲存資料
有數字簽名讓你的區塊鏈連結在一起
需要挖礦的工作量證明新的區塊
可以用來檢查資料是否是有效的同時是未經篡改的

程式碼下載

???關注微信小程式java架構師歷程
上下班的路上無聊嗎？還在看小說、新聞嗎？不知道怎樣提高自己的技術嗎？來吧這裡有你需要的java架構文章，1.5w+的java工程師都在看，你還在等什麼？

【譯】用Java建立你的第一個區塊鏈-part1

前言

建立區塊鏈

定義區塊鏈的類快

建立數字簽名

測試

檢查區塊鏈的完整性

挖礦

你已經完成了你的基本區塊鏈！

程式碼下載

用Java建立你第一個區塊鏈-part1

用Java建立你第一個區塊鏈-part3

【譯】用Java建立你的第一個區塊鏈-part1

【譯】用maven使java web應用執行在內嵌的Jetty或Tomcat容器中

【譯】用 React 和 D3 建立圖表

【轉】用Python建立最簡單的web服務器

【譯】用CSS屬性選擇器來拼接HTML的DNA

【轉】用Java實現網路語音訊號傳送

【譯】用JavaScript寫一個區塊鏈

【119】用Java實現TCP協議的IP地址和埠號的轉發功能

【譯】11. Java反射——動態代理

【譯】5. Java反射——方法

【譯】8. Java反射——註解

【譯】4. Java反射——欄位

【譯】6. Java反射——Getter和Setter

【譯】9. Java反射——泛型

【譯】10. Java反射——陣列

【譯】2. Java反射——Class物件

【譯】7. Java反射——私有欄位和私有方法

【譯】1. Java反射——引言

【譯】用Java建立你的第一個區塊鏈-part1

前言

建立區塊鏈

定義區塊鏈的類快

建立數字簽名

測試

檢查區塊鏈的完整性

挖礦

你已經完成了你的基本區塊鏈！

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