如何用java实现简单的区块链

我会带着你远行 2022-05-18 00:51 216阅读 0赞

本文目的是通过java实战开发教程理解区块链是什么。将通过实战入门学习，用Java自学开发一个很基本的区块链，并在此基础上能扩展如web框架应用等。这个基本的java区块链也实现简单的工作量证明系统。本文用一个java例子,演示了开发一个区块链应用的过程,涉及到所有区块链的概念和基本实现方法。本文阅读对象,主要是希望和即将从事区块链开发的项目架构师。需要指出的是，我们用150行java代码构建的区块链达不到生产级别的，它只是为了帮助你更好的理解区块链的概念。

Java源代码保存在[Github][]

## 创建区块链 ##

区块链就是一串或者是一系列区块的集合，类似于链表的概念，每个区块都指向于后面一个区块，然后顺序的连接在一起。那么每个区块中的内容是什么呢？在区块链中的每一个区块都存放了很多很有价值的信息，主要包括三个部分：自己的数字签名，上一个区块的数字签名，还有一切需要加密的数据（这些数据在比特币中就相当于是交易的信息，它是加密货币的本质）。每个数字签名不但证明了自己是特有的一个区块，而且指向了前一个区块的来源，让所有的区块在链条中可以串起来，而数据就是一些特定的信息，你可以按照业务逻辑来保存业务数据。

![845255-20180508215804263-1040807280.png][]

这里的hash指的就是数字签名

所以每一个区块不仅包含前一个区块的hash值，同时包含自身的一个hash值，自身的hash值是通过之前的hash值和数据data通过hash计算出来的。如果前一个区块的数据一旦被篡改了，那么前一个区块的hash值也会同样发生变化（因为数据也被计算在内），这样也就导致了所有后续的区块中的hash值。所以计算和比对hash值会让我们检查到当前的区块链是否是有效的，也就避免了数据被恶意篡改的可能性，因为篡改数据就会改变hash值并破坏整个区块链。

定义区块链的类Block：

正如你可以看到我们的基本块包含String hash，它将保存我们的数字签名。变量previoushash保存前一个块的hash和String data来保存我们的块数据

## 创建数字签名 ##

熟悉加密算法的朋友们，Java方式可以实现的加密方式有很多，例如BASE、MD、RSA、SHA等等，我在这里选用了SHA256这种加密方式，SHA（Secure Hash Algorithm）安全散列算法，这种算法的特点是数据的少量更改会在Hash值中产生不可预知的大量更改，hash值用作表示大量数据的固定大小的唯一值，而SHA256算法的hash值大小为256位。之所以选用SHA256是因为它的大小正合适，一方面产生重复hash值的可能性很小，另一方面在区块链实际应用过程中，有可能会产生大量的区块，而使得信息量很大，那么256位的大小就比较恰当了。

下面我创建了一个StringUtil方法来方便调用SHA256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);
            }
        }   
    }

或许你不完全理解上述代码的含义，但是你只要理解所有的输入调用此方法后均会生成一个独一无二的hash值（数字签名），而这个hash值在区块链中是非常重要的。

接下来让我们在Block类中应用 方法 applySha256 方法，其主要的目的就是计算hash值，我们计算的hash值应该包括区块中所有我们不希望被恶意篡改的数据，在我们上面所列的Block类中就一定包括previousHash，data和timeStamp，

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

然后把这个方法加入到Block的构造函数中去

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.
        }

## 测试 ##

在主方法中让我们创建一些区块，并把其hash值打印出来，来看看是否一切都在我们的掌控中。

第一个块称为创世块，因为它是头区块，所以我们只需输入“0”作为前一个块的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);
    
        }
    }

打印输出结果：

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

每一个区块都必须要有自己的数据签名即hash值，这个hash值依赖于自身的信息（data）和上一个区块的数字签名（previousHash），但这个还不是区块链，下面让我们存储区块到数组中，这里我会引入gson包，目的是可以用json方式查看整个一条区块链结构。

这样的输出结构就更类似于我们所期待的区块链的样子。

## 检查区块链的完整性 ##

在主方法中增加一个isChainValid()方法，目的是循环区块链中的所有区块并且比较hash值，这个方法用来检查hash值是否是于计算出来的hash值相等，同时previousHash值是否和前一个区块的hash值相等。或许你会产生如下的疑问，我们就在一个主函数中创建区块链中的区块，所以不存在被修改的可能性，但是你要注意的是，区块链中的一个核心概念就是去中心化，每一个区块可能是在网络中的某一个节点中产生的，所以很有可能某个节点把自己节点中的数据修改了，那么根据上述的理论数据改变会导致整个区块链的破裂，也就是区块链就无效了。

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;
    }

任何区块链中区块的一丝一毫改变都会导致这个函数返回false，也就证明了区块链无效了。

在比特币网络中所有的网络节点都分享了它们各自的区块链，然而最长的有效区块链是被全网所统一承认的，如果有人恶意来篡改之前的数据，然后创建一条更长的区块链并全网发布呈现在网络中，我们该怎么办呢？这就涉及到了区块链中另外一个重要的概念工作量证明，这里就不得不提及一下hashcash，这个概念最早来自于Adam Back的一篇论文，主要应用于邮件过滤和比特币中防止双重支付。

## 挖矿 ##

这里我们要求挖矿者做工作量证明，具体的方式是在区块中尝试不同的参数值直到它的hash值是从一系列的0开始的。让我们添加一个名为nonce的int类型以包含在我们的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()方法中引入了一个int值称为difficulty难度，低的难度比如1和2，普通的电脑基本都可以马上计算出来，我的建议是在4-6之间进行测试，普通电脑大概会花费3秒时间，在莱特币中难度大概围绕在442592左右，而在比特币中每一次挖矿都要求大概在10分钟左右，当然根据所有网络中的计算能力，难度也会不断的进行修改。

我们在NoobChain类 中增加difficulty这个静态变量。

public static int difficulty = 5;

这样我们必须修改主方法中让创建每个新区块时必须触发mineBlock()方法，而isChainValid()方法用来检查每个区块的hash值是否正确，整个区块链是否是有效的。

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;
        }
    }

打印：

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
      }
    ]

经过测试增加一个新的区块即挖矿必须花费一定时间，大概是3秒左右，你可以提高difficulty难度来看，它是如何影响数据难题所花费的时间的。如果有人在你的区块链系统中恶意篡改数据：

*  他们的区块链是无效的。
 *  他们无法创建更长的区块链
 *  网络中诚实的区块链会在长链中更有时间的优势

因为篡改的区块链将无法赶上长链和有效链，除非他们比你网络中所有的节点拥有更大的计算速度，可能是未来的量子计算机或者是其他什么。

你已经完成了你的基本区块链！

[Github]: https://github.com/CryptoKass/NoobChain-Tutorial-Part-1
[845255-20180508215804263-1040807280.png]: /images/20220518/8e3b603eb1144cc4b5d7f64e457eb5e8.png