java開發區塊鏈只需150行代碼

時間 2019-12-06

標籤 java 開發區塊只需代碼欄目 Java 简体版

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本文目的是經過java實戰開發教程理解區塊鏈是什麼。將經過實戰入門學習，用Java自學開發一個很基本的區塊鏈，並在此基礎上能擴展如web框架應用等。這個基本的java區塊鏈也實現簡單的工做量證實系統。本文用一個java例子,演示了開發一個區塊鏈應用的過程,涉及到全部區塊鏈的概念和基本實現方法。本文閱讀對象,主要是但願和即將從事區塊鏈開發的項目架構師。須要指出的是，咱們用150行java代碼構建的區塊鏈達不到生產級別的，它只是爲了幫助你更好的理解區塊鏈的概念。java

Java源代碼保存在Githubgit

建立區塊鏈

區塊鏈就是一串或者是一系列區塊的集合，相似於鏈表的概念，每一個區塊都指向於後面一個區塊，而後順序的鏈接在一塊兒。那麼每一個區塊中的內容是什麼呢？在區塊鏈中的每個區塊都存放了不少頗有價值的信息，主要包括三個部分：本身的數字簽名，上一個區塊的數字簽名，還有一切須要加密的數據（這些數據在比特幣中就至關因而交易的信息，它是加密貨幣的本質）。每一個數字簽名不但證實了本身是特有的一個區塊，並且指向了前一個區塊的來源，讓全部的區塊在鏈條中能夠串起來，而數據就是一些特定的信息，你能夠按照業務邏輯來保存業務數據。github

這裏的hash指的就是數字簽名web

因此每個區塊不只包含前一個區塊的hash值，同時包含自身的一個hash值，自身的hash值是經過以前的hash值和數據data經過hash計算出來的。若是前一個區塊的數據一旦被篡改了，那麼前一個區塊的hash值也會一樣發生變化（由於數據也被計算在內），這樣也就致使了全部後續的區塊中的hash值。因此計算和比對hash值會讓咱們檢查到當前的區塊鏈是不是有效的，也就避免了數據被惡意篡改的可能性，由於篡改數據就會改變hash值並破壞整個區塊鏈。算法

定義區塊鏈的類Block：json

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();
    }
}

正如你能夠看到咱們的基本塊包含String hash，它將保存咱們的數字簽名。變量previoushash保存前一個塊的hash和String data來保存咱們的塊數據數組

建立數字簽名

熟悉加密算法的朋友們，Java方式能夠實現的加密方式有不少，例如BASE、MD、RSA、SHA等等，我在這裏選用了SHA256這種加密方式，SHA（Secure Hash Algorithm）安全散列算法，這種算法的特色是數據的少許更改會在Hash值中產生不可預知的大量更改，hash值用做表示大量數據的固定大小的惟一值，而SHA256算法的hash值大小爲256位。之因此選用SHA256是由於它的大小正合適，一方面產生重複hash值的可能性很小，另外一方面在區塊鏈實際應用過程當中，有可能會產生大量的區塊，而使得信息量很大，那麼256位的大小就比較恰當了。安全

下面我建立了一個StringUtil方法來方便調用SHA256算法網絡

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);
        }
    }   
}

或許你不徹底理解上述代碼的含義，可是你只要理解全部的輸入調用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值在區塊鏈中是很是重要的。架構

接下來讓咱們在Block類中應用方法 applySha256 方法，其主要的目的就是計算hash值，咱們計算的hash值應該包括區塊中全部咱們不但願被惡意篡改的數據，在咱們上面所列的Block類中就必定包括previousHash，data和timeStamp，

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

而後把這個方法加入到Block的構造函數中去

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

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

第一個塊稱爲創世塊，由於它是頭區塊，因此咱們只需輸入「0」做爲前一個塊的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);

    }
}

打印輸出結果：

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

每個區塊都必需要有本身的數據簽名即hash值，這個hash值依賴於自身的信息（data）和上一個區塊的數字簽名（previousHash），但這個還不是區塊鏈，下面讓咱們存儲區塊到數組中，這裏我會引入gson包，目的是能夠用json方式查看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相似於咱們所期待的區塊鏈的樣子。

檢查區塊鏈的完整性

在主方法中增長一個isChainValid()方法，目的是循環區塊鏈中的全部區塊而且比較hash值，這個方法用來檢查hash值是不是於計算出來的hash值相等，同時previousHash值是否和前一個區塊的hash值相等。或許你會產生以下的疑問，咱們就在一個主函數中建立區塊鏈中的區塊，因此不存在被修改的可能性，可是你要注意的是，區塊鏈中的一個核心概念就是去中心化，每個區塊多是在網絡中的某一個節點中產生的，因此頗有可能某個節點把本身節點中的數據修改了，那麼根據上述的理論數據改變會致使整個區塊鏈的破裂，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致使這個函數返回false，也就證實了區塊鏈無效了。

在比特幣網絡中全部的網絡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認可的，若是有人惡意來篡改以前的數據，而後建立一條更長的區塊鏈並全網發佈呈如今網絡中，咱們該怎麼辦呢？這就涉及到了區塊鏈中另一個重要的概念工做量證實，這裏就不得不說起一下hashcash，這個概念最先來自於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

這裏咱們要求挖礦者作工做量證實，具體的方式是在區塊中嘗試不一樣的參數值直到它的hash值是從一系列的0開始的。讓咱們添加一個名爲nonce的int類型以包含在咱們的calculatehash（）方法中，以及須要的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值稱爲difficulty難度，低的難度好比1和2，普通的電腦基本均可以立刻計算出來，個人建議是在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，固然根據全部網絡中的計算能力，難度也會不斷的進行修改。

咱們在NoobChain類中增長difficulty這個靜態變量。

public static int difficulty = 5;

這樣咱們必須修改主方法中讓建立每一個新區塊時必須觸發mineBlock()方法，而isChainValid()方法用來檢查每一個區塊的hash值是否正確，整個區塊鏈是不是有效的。

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
  }
]

通過測試增長一個新的區塊即挖礦必須花費必定時間，大概是3秒左右，你能夠提升difficulty難度來看，它是如何影響數據難題所花費的時間的。若是有人在你的區塊鏈系統中惡意篡改數據：