基于Java语言构建区块链(一)—— 基本原型

发布时间:2018年09月27日 价值:20000.00 / 共识:26

原文链接:https://wangwei.one/posts/df195d9.html

引言

区块链技术是一项比人工智能更具革命性的技术,人工智能只是提高了人类的生产力,而区块链则将改变人类社会的生产关系,它将会颠覆我们人类社会现有的协作方式。了解和掌握区块链相关知识和技术,是我们每位开发人员必须要去做的事情,这样我们才能把握住这波时代趋势的红利。

本文将基于Java语言构建简化版的blockchain,来实现数字货币。

创建区块

区块链是由包含交易信息的区块从后向前有序链接起来的数据结构。区块被从后向前有序地链接在这个链条里,每个区块都指向前一个区块。以比特币为例,每个区块主要包含如下信息字段:

  • 区块大小:用字节表示的区块数据大小
  • 区块头:组成区块头的几个字段
    • 区块头hash值
    • 父区块头hash值
    • 时间戳:区块产生的近似时间
    • Merkle根:该区块中交易的merkle树根的哈希值
    • 难度目标:该区块工作量证明算法的难度目标
    • Nonce:用于工作量证明算法的计数器
  • 交易计数器:交易的数量
  • 交易:记录在区块里的交易信息

详见:《精通比特币》(第二版)第9章——区块链

区块数据结构

在这里,我们主要是为了实现最简单的区块链结构,仅仅包含以下几个信息字段:

  1. /**
  2. * 区块
  3. *
  4. * @author wangwei
  5. * @date 2018/02/02
  6. */
  7. @Data
  8. public class Block {
  9. /**
  10. * 区块hash值
  11. */
  12. private String hash;
  13. /**
  14. * 前一个区块的hash值
  15. */
  16. private String previousHash;
  17. /**
  18. * 区块数据
  19. */
  20. private String data;
  21. /**
  22. * 区块创建时间(单位:秒)
  23. */
  24. private long timeStamp;
  25. public Block() {
  26. }
  27. public Block(String hash, String previousHash, String data, long timeStamp) {
  28. this();
  29. this.hash = hash;
  30. this.previousHash = previousHash;
  31. this.data = data;
  32. this.timeStamp = timeStamp;
  33. }
  34. }
区块Hash值计算

加密Hash值,一个通过SHA256算法对区块头进行二次哈希计算而得到的数字指纹。Hash值用于确保blockchain的安全。Hash计算是计算敏感的操作,即使在高性能电脑也需要花费一段时间来完成计算(这也就是为什么人们购买高性能GPU进行比特币挖矿的原因)。blockchain架构设计有意使Hash计算变得困难,这样做是为了加大新增一个block的难度,进而防止block在增加后被随意修改。

  1. /**
  2. * <p> 创建新区块 </p>
  3. *
  4. * @param previousHash
  5. * @param data
  6. * @return
  7. */
  8. public static Block newBlock(String previousHash, String data) {
  9. Block block = new Block("", previousHash, data.getBytes(), Instant.now().getEpochSecond());
  10. block.setHash();
  11. return block;
  12. }
  13. /**
  14. * 计算区块Hash
  15. * <p>
  16. * 注意:在准备区块数据时,一定要从原始数据类型转化为byte[],不能直接从字符串进行转换
  17. *
  18. * @return
  19. */
  20. private void setHash() {
  21. byte[] prevBlockHashBytes = {};
  22. if (StringUtils.isNoneBlank(this.getPrevBlockHash())) {
  23. prevBlockHashBytes = new BigInteger(this.getPrevBlockHash(), 16).toByteArray();
  24. }
  25. byte[] headers = ByteUtils.merge(
  26. prevBlockHashBytes,
  27. this.getData().getBytes(),
  28. ByteUtils.toBytes(this.getTimeStamp()));
  29. this.setHash(DigestUtils.sha256Hex(headers));
  30. }

创建区块链

区块链本质上是一种有序反向链接链表的数据结构。这意味着,block按照插入的顺序存放,同时每个block都保存指向上一个block的链接。这种结构保证可以快速获取最新插入的block同时获取它的hash值。这种结构保证可以快速获取最新插入的block同时(高效地)获取它的hash值。

区块链数据结构
  1. /**
  2. * <p> 区块链 </p>
  3. *
  4. * @author wangwei
  5. * @date 2018/02/02
  6. */
  7. public class Blockchain {
  8. @Getter
  9. private List<Block> blockList;
  10. public Blockchain(List<Block> blockList) {
  11. this.blockList = blockList;
  12. }
  13. }
添加区块

新增一个添加区块链的方法

  1. /**
  2. * <p> 添加区块 </p>
  3. *
  4. * @param data 数据
  5. */
  6. public void addBlock(String data) {
  7. Block previousBlock = blockList.get(blockList.size() - 1);
  8. this.addBlock(Block.newBlock(previousBlock.getHash(), data));
  9. }
  10. /**
  11. * <p> 添加区块 </p>
  12. *
  13. * @param block 区块
  14. */
  15. public void addBlock(Block block) {
  16. this.blockList.add(block);
  17. }
创世区块

在添加区块之前,区块链必须有个创世区块,在Block中新增创世区块方法:

  1. /**
  2. * <p> 创建创世区块 </p>
  3. *
  4. * @return
  5. */
  6. public static Block newGenesisBlock() {
  7. return Block.newBlock("", "Genesis Block");
  8. }
创建区块链

再在Blockchain中新增创建区块链的方法:

  1. /**
  2. * <p> 创建区块链 </p>
  3. *
  4. * @return
  5. */
  6. public static Blockchain newBlockchain() {
  7. List<Block> blocks = new LinkedList<>();
  8. blocks.add(Block.newGenesisBlock());
  9. return new Blockchain(blocks);
  10. }

测试运行

  1. /**
  2. * 测试
  3. *
  4. * @author wangwei
  5. * @date 2018/02/05
  6. */
  7. public class BlockchainTest {
  8. public static void main(String[] args) {
  9. Blockchain blockchain = Blockchain.newBlockchain();
  10. blockchain.addBlock("Send 1 BTC to Ivan");
  11. blockchain.addBlock("Send 2 more BTC to Ivan");
  12. for (Block block : blockchain.getBlockList()) {
  13. System.out.println("Prev. hash: " + block.getPreviousHash());
  14. System.out.println("Data: " + block.getData());
  15. System.out.println("Hash: " + block.getHash());
  16. System.out.println();
  17. }
  18. }
  19. }
  20. /**
  21. * 输出如下信息:
  22. */
  23. Prev. hash:
  24. Data: Genesis Block
  25. Hash: 4492cb9d396a9a52e7ff17ef3782f022ddcdc7b2c276bc6dd3d448b0655eb3d4
  26. Prev. hash: 4492cb9d396a9a52e7ff17ef3782f022ddcdc7b2c276bc6dd3d448b0655eb3d4
  27. Data: Send 1 BTC to Ivan
  28. Hash: cd716d59d98ad673035ab7035ece751718ea9842944a4743c298bebc0fe24c04
  29. Prev. hash: cd716d59d98ad673035ab7035ece751718ea9842944a4743c298bebc0fe24c04
  30. Data: Send 2 more BTC to Ivan
  31. Hash: 42f78d6a86f88aa9b5b10e468494dfd1b3f558a9fb74a01eb348c2cbfc5d000a

总结

我们构建了一个非常简单的区块链原型:它只是一个块的数组,每个块都与前一个块有连接。 实际的区块链要复杂得多。

  • 缺少交易信息:我们的区块链还没有任何交易信息。
  • 缺少工作量证明:我们的生产区块非常简单快捷,实际的区块链中,生产一个区块需要进行大量的计算。
  • 缺少共识机制:区块链是一个非单一决策者的分布式数据库。 因此,一个新的区块必须得到网络的其他参与者的确认和批

在以后的文章中,我们将介绍这些功能。

资料

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