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
（我會假設你對物件導向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();
}
}
複製程式碼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);
}
}
}
複製程式碼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;
}
複製程式碼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.
}
複製程式碼測試
在主方法中讓我們建立一些區塊，並把其hash值列印出來，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);
}
}
複製程式碼列印：
Hash for block 1: f6d1bc5f7b0016eab53ec022db9a5d9e1873ee78513b1c666696e66777fe55fb
Hash for block 2: 6936612b3380660840f22ee6cb8b72ffc01dbca5369f305b92018321d883f4a3
Hash for block 3: f3e58f74b5adbd59a7a1fc68c97055d42e94d33f6c322d87b29ab20d3c959b8f
複製程式碼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);
}
}
複製程式碼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;
}
複製程式碼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);
}
}
複製程式碼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;
複製程式碼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;
}
}
複製程式碼列印：
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
}
]
複製程式碼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
原文連結：Creating Your First Blockchain with Java. Part 1.
程式碼下載
從我的 github 中下載，github.com/longfeizhen…
???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？