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只用120行Java代碼寫一個自己的區(qū)塊鏈

作者：浮云-Mignet
區(qū)塊鏈 后端
這篇文章就是幫助你使用 Java 語言來實現(xiàn)一個簡單的區(qū)塊鏈，用不到 120 行代碼來揭示區(qū)塊鏈的原理！

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區(qū)塊鏈?zhǔn)悄壳白顭衢T的話題，廣大讀者都聽說過比特幣，或許還有智能合約，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(xiàn)一個簡單的區(qū)塊鏈，用不到 120 行代碼來揭示區(qū)塊鏈的原理！

“用不到120行 Java 代碼就能實現(xiàn)一個自己的區(qū)塊鏈！” 聽起來不可思議吧？有什么能比開發(fā)一個自己的區(qū)塊鏈更好的學(xué)習(xí)實踐方法呢？那我們就一起來實踐下！

 因為我們是一家從事互聯(lián)網(wǎng)金融的科技公司，所以我們采用虛擬資產(chǎn)金額作為這篇文章中的示例數(shù)據(jù)。大家可以先為自己想一個數(shù)字，后面我們會用到。

 通過本文，你將可以做到：

1、創(chuàng)建自己的區(qū)塊鏈

2、理解 hash 函數(shù)是如何保持區(qū)塊鏈的完整性的

3、如何創(chuàng)造并添加新的塊

4、多個節(jié)點如何競爭生成塊

5、通過瀏覽器來查看整個鏈

6、所有其他關(guān)于區(qū)塊鏈的基礎(chǔ)知識

但是，對于比如工作量證明算法（PoW）以及權(quán)益證明算法（PoS）這類的共識算法文章中將不會涉及。

同時為了讓你更清楚得查看區(qū)塊鏈以及塊的添加，我們將網(wǎng)絡(luò)交互的過程簡化了，關(guān)于 P2P 網(wǎng)絡(luò)比如“對等網(wǎng)絡(luò)”等內(nèi)容將在將來的文章中講解。

讓我們開始吧！

設(shè)置

我們假設(shè)你已經(jīng)具備一點 Java 語言的開發(fā)經(jīng)驗，以及maven項目構(gòu)建經(jīng)驗。在安裝和配置 Java 開發(fā)環(huán)境后之后，我們新建maven項目，在pom中增加一些依賴： 

  1. <!-- 超小型web框架 --> 
  2.        <dependency>  
  3.            <groupId>com.sparkjava</groupId>  
  4.            <artifactId>spark-core</artifactId>  
  5.            <version>${spark.version}</version>  
  6.        </dependency> 

Spark-web Framework是一個基于jetty的超小型框架，我們用它來寫http訪問的請求處理。 

  1. <dependency>  
  2.            <groupId>commons-codec</groupId>  
  3.            <artifactId>commons-codec</artifactId>  
  4.            <version>${commons.codec.version}</version>  
  5.        </dependency> 

這個通用包擁有幾乎所有加解密算法及常規(guī)操作 

  1. <dependency>  
  2.            <groupId>com.google.code.gson</groupId>  
  3.            <artifactId>gson</artifactId>  
  4.            <version>2.8.2</version>  
  5.        </dependency> 

Google的json包，當(dāng)然你可以使用你喜歡的其他json包。

***，增加log相關(guān)的包 

  1. <!-- log start -->  
  2.        <dependency>  
  3.            <groupId>log4j</groupId>  
  4.            <artifactId>log4j</artifactId>  
  5.            <version>${log4j.version}</version>  
  6.        </dependency>  
  7.        <dependency>  
  8.            <groupId>org.slf4j</groupId>  
  9.            <artifactId>slf4j-api</artifactId>  
  10.            <version>${slf4j.version}</version>  
  11.        </dependency>  
  12.        <dependency>  
  13.            <groupId>org.slf4j</groupId>  
  14.            <artifactId>slf4j-log4j12</artifactId>  
  15.            <version>${slf4j.version}</version>  
  16.        </dependency>  
  17.        <!-- log end --> 

相關(guān)版本屬性設(shè)置 

  1. <properties>  
  2.        <commons.codec.version>1.9</commons.codec.version>  
  3.        <spark.version>2.6.0</spark.version>  
  4.        <slf4j.version>1.6.6</slf4j.version>  
  5.         <log4j.version>1.2.17</log4j.version>  
  6.        <gson.version>2.8.2</gson.version>  
  7. </properties> 

接下來，我們創(chuàng)建一個 SparkWeb.java文件。之后我們的大部分工作都圍繞這個文件，讓我開始編碼吧！

數(shù)據(jù)模型

我們來定義一個Block類，它代表組成區(qū)塊鏈的每一個塊的數(shù)據(jù)模型： 

  1. public class Block {  
  2.     /**是這個塊在整個鏈中的位置*/  
  3.     private int index;  
  4.     /**顯而易見就是塊生成時的時間戳*/  
  5.     private String timestamp;  
  6.     /**虛擬資產(chǎn)。我們要記錄的數(shù)據(jù)*/  
  7.     private int vac;  
  8.     /**是這個塊通過 SHA256 算法生成的散列值*/  
  9.     private String hash;  
  10.     /**指向前一個塊的 SHA256 散列值*/  
  11.     private String prevHash;  
  12.     /** getters and setters**/   
  13. } 

接著，我們再定義一個結(jié)構(gòu)表示整個鏈，最簡單的表示形式就是一個 Block 的 順序表： 

  1. ArrayList<Block> blockChain 

我們使用散列算法（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 值等于前一個塊中的 Hash 值，這樣就以正確的塊順序構(gòu)建出鏈：

 [ index:0| hash:"xxxw"| preHash:""] - [ index:1| hash:"xxxx"| preHash:"xxxw"] - [ index2| hash:"xxxy"| preHash:"xxxx"]

散列和生成塊

我們?yōu)槭裁葱枰⒘?？主要是兩個原因：

1、在節(jié)省空間的前提下去唯一標(biāo)識數(shù)據(jù)。散列是用整個塊的數(shù)據(jù)計算得出，在我們的例子中，將整個塊的數(shù)據(jù)通過 SHA256 計算成一個定長不可偽造的字符串。

2、維持鏈的完整性。通過存儲前一個塊的散列值，我們就能夠確保每個塊在鏈中的正確順序。任何對數(shù)據(jù)的篡改都將改變散列值，同時也就破壞了鏈。以我們從事的醫(yī)療健康領(lǐng)域為例，比如有一個惡意的第三方為了調(diào)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，那么整個鏈都變得不可信了。

我們接著寫一個函數(shù)，用來計算給定的數(shù)據(jù)的 SHA256 散列值： 

  1. public static String calculateHash(Block block) {  
  2.        String record = (block.getIndex()) + block.getTimestamp() + (block.getVac()) + block.getPrevHash();  
  3.        return SHA256.crypt(record);  
  4. } 

接下來我們就能得到一個生成塊的函數(shù)： 

  1. public static Block generateBlock(Block oldBlock, int vac) {  
  2.        Block newnewBlock = new Block();  
  3.        newBlock.setIndex(oldBlock.getIndex() + 1);  
  4.        newBlock.setTimestamp(new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss").format(new Date()));  
  5.        newBlock.setVac(vac);  
  6.        newBlock.setPrevHash(oldBlock.getHash());  
  7.        newBlock.setHash(calculateHash(newBlock));  
  8.        return newBlock;  
  9. } 

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() 函數(shù)來獲得的，Hash 值通過前面的 calculateHash 函數(shù)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數(shù)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(dāng)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數(shù)： 

  1. public static boolean isBlockValid(Block newBlock, Block oldBlock) {  
  2.        if (oldBlock.getIndex() + 1 != newBlock.getIndex()) {  
  3.            return false;  
  4.        }  
  5.        if (!oldBlock.getHash().equals(newBlock.getPrevHash())) {  
  6.            return false;  
  7.        }  
  8.        if (!calculateHash(newBlock).equals(newBlock.getHash())) {  
  9.            return false;  
  10.        }  
  11.        return true;  
  12.     } 

除了校驗塊以外，我們還會遇到一個問題：兩個節(jié)點都生成塊并添加到各自的鏈上，那我們應(yīng)該以誰為準(zhǔn)？這里的細節(jié)我們留到下一篇文章，這里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(rèn)可

 [block 1] -> [block 2] -> [block 3] -> [block 4] ->  丟棄

通常來說，更長的鏈表示它的數(shù)據(jù)（狀態(tài)）是更加新的，所以我們需要一個函數(shù)能幫我們將本地的過期的鏈切換成***的鏈： 

  1. public void replaceChain(ArrayList<Block> newBlocks) {  
  2.        if (newBlocks.size() > blockChain.size()) {  
  3.            blockChain = newBlocks;  
  4.        }  
  5.     } 

到這一步，我們基本就把所有重要的函數(shù)完成了。接下來，我們需要一個方便直觀的方式來查看我們的鏈，包括數(shù)據(jù)及狀態(tài)。通過瀏覽器查看 web 頁面可能是最合適的方式。

Web 服務(wù)

我猜你一定對傳統(tǒng)的 web 服務(wù)及開發(fā)非常熟悉，所以這部分你肯定一看就會。

借助 Spark Web Framework，來完成我們的 web 服務(wù)，代碼如下： 

  1. public static void main(String[] args) {  
  2.        // port(5678); //默認(rèn)端口是4567，你可以設(shè)置別的端口   
  3. } 

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(yīng)的 handler。例如，對“/”的 GET 請求我們可以查看整個鏈，對“/”的 POST 請求可以創(chuàng)建一個新的塊。

GET 請求的 handler： 

  1. 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 來查看

POST 請求的 handler 稍微有些復(fù)雜，我們先來定義一下 POST 請求的 payload： 

  1. public class Message {  
  2.     private int vac;  
  3. //getters and setters  
  4. } 

再看看 handler 的實現(xiàn)： 

  1. post("/", (q, a) -> {  
  2. String body = request.body();  
  3.               Message m = gson.fromJson(body, Message.class);  
  4.               if (m == null) {  
  5.                   return "vac is NULL";  
  6.               }  
  7.               int vac = m.getVac();  
  8.               Block lastBlock = blockChain.get(blockChain.size() - 1);  
  9.               Block newBlock = generateBlock(lastBlock, vac);  
  10.               if (isBlockValid(newBlock, lastBlock)) {  
  11.                   blockChain.add(newBlock);  
  12.                   LOGGER.debug(gson.toJson(blockChain));  
  13.               } else {  
  14.                   return "HTTP 500: Invalid Block Error";  
  15.               }  
  16.               return "success!";  
  17. }); 

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 這個函數(shù)嗎？它接受一個“前一個塊”參數(shù)，和一個 VAC 值。POST handler 接受請求后就能獲得請求體中的 VAC 值，接著借助生成塊的函數(shù)以及校驗塊的函數(shù)就能生成一個新的塊了！

除此之外，你也可以：

1、使用new GsonBuilder().setPrettyPrinting().create()這個函數(shù)可以以非常美觀和方便閱讀的方式將數(shù)據(jù)json化打印在控制臺里，方便調(diào)試。

2、測試 POST 請求時，可以使用 POSTMAN 這個 chrome 插件，相比 curl它更直觀和方便。也可以使用RESTClient這個FireFox插件。

快要大功告成了

接下來，我們把這些關(guān)于區(qū)塊鏈的函數(shù)，web 服務(wù)的函數(shù)“組裝”起來：最重要的是，我們需要產(chǎn)生***個塊（創(chuàng)世塊），來作為區(qū)塊鏈的頭。 

  1. //創(chuàng)世塊  
  2.        Block genesisBlock = new Block();  
  3.        genesisBlock.setIndex(0);  
  4.        genesisBlock.setTimestamp(new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss").format(new Date()));  
  5.        genesisBlock.setVac(0);  
  6.        genesisBlock.setPrevHash("");  
  7.        genesisBlock.setHash(calculateHash(genesisBlock));  
  8.        blockChain.add(genesisBlock); 

這里的 genesisBlock （創(chuàng)世塊）是 main 函數(shù)中最重要的部分，通過它來初始化區(qū)塊鏈，畢竟要有一個開始，***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 服務(wù)器啟動的日志信息，并且打印出了創(chuàng)世塊的信息： 

  1. [INFO ] 2018-02-08 10:58:26 SparkWeb@(SparkWeb.java:132):[  
  2. {  
  3. "index": 0,  
  4. "timestamp": "2018-02-08 10:58:25",  
  5. "vac": 0,  
  6. "hash": "7c2d2db62a82ac8aa3d843ff837c604d8bd17800f4c466d472c5df185b8967fa",  
  7. "prevHash": ""  
  8. }  
  9. ]  
  10. [INFO ] 2018-02-08 10:58:26 Log@(Log.java:192):Logging initialized @1267ms to org.eclipse.jetty.util.log.Slf4jLog  
  11. [INFO ] 2018-02-08 10:58:26 EmbeddedJettyServer@(EmbeddedJettyServer.java:127):== Spark has ignited ...  
  12. [INFO ] 2018-02-08 10:58:26 EmbeddedJettyServer@(EmbeddedJettyServer.java:128):>> Listening on 0.0.0.0:4567  
  13. [INFO ] 2018-02-08 10:58:26 Server@(Server.java:372):jetty-9.4.4.v20170414  
  14. [INFO ] 2018-02-08 10:58:26 DefaultSessionIdManager@(DefaultSessionIdManager.java:364):DefaultSessionIdManager workerName=node0  
  15. [INFO ] 2018-02-08 10:58:26 DefaultSessionIdManager@(DefaultSessionIdManager.java:369):No SessionScavenger set, using defaults  
  16. [INFO ] 2018-02-08 10:58:26 HouseKeeper@(HouseKeeper.java:149):Scavenging every 600000ms 
  17.  [INFO ] 2018-02-08 10:58:27 AbstractConnector@(AbstractConnector.java:280):Started ServerConnector@4c7573c5{HTTP/1.1,[http/1.1]}{0.0.0.0:4567}  
  18. [INFO ] 2018-02-08 10:58:27 Server@(Server.java:444):Started @1669ms 

接著我們打開瀏覽器，訪問 http://localhost:4567 這個地址，我們可以看到頁面中展示了當(dāng)前整個區(qū)塊鏈的信息（當(dāng)然，目前只有一個創(chuàng)世塊）： 

  1. {  
  2. "index": 0,  
  3. "timestamp": "2018-02-08 10:58:25",  
  4. "vac": 0,  
  5. "hash": "7c2d2db62a82ac8aa3d843ff837c604d8bd17800f4c466d472c5df185b8967fa",  
  6. "prevHash": ""  
  7. } 

接著，我們再通過 RESRClient來發(fā)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}'。

刷新剛才的http://localhost:4567 頁面，現(xiàn)在的鏈中多了一個塊，正是我們剛才生成的，同時可以看到，塊的順序和散列值都正確。

源碼:https://github.com/Mignet/blockchain 

責(zé)任編輯：龐桂玉 來源： 區(qū)塊鏈技術(shù)學(xué)習(xí)
Java代碼區(qū)塊鏈
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