基于Java语言构建区块链—— 基本原型

Posted 2020-10-28

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：

/**

• 区块
• @author wangwei

• @date 2018/02/02br/>*/
  @Data
  public class Block {

  /**

  • 区块hash值
    */
    private String hash;
    /**
  • 前一个区块的hash值
    */
    private String previousHash;
    /**
  • 区块数据
    */
    private String data;
    /**
  • 区块创建时间(单位:秒)
    */
    private long timeStamp;

  public Block() {
  }

  public Block(String hash, String previousHash, String data, long timeStamp) {
  this();
  this.hash = hash;
  this.previousHash = previousHash;
  this.data = data;
  this.timeStamp = timeStamp;
  }
  }
  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。

/**

• <p> 创建新区块 </p>
• @param previousHash
• @param data
• @return
  */
  public static Block newBlock(String previousHash, String data) {
  Block block = new Block("", previousHash, data.getBytes(), Instant.now().getEpochSecond());
  block.setHash();
  return block;
  }

/**

• 计算区块Hash
• <p>
• 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

• @return
  */
  private void setHash() {
  byte[] prevBlockHashBytes = {};
  if (StringUtils.isNoneBlank(this.getPrevBlockHash())) {
  prevBlockHashBytes = new BigInteger(this.getPrevBlockHash(), 16).toByteArray();
  }

  byte[] headers = ByteUtils.merge(
  prevBlockHashBytes,
  this.getData().getBytes(),
  ByteUtils.toBytes(this.getTimeStamp()));

  this.setHash(DigestUtils.sha256Hex(headers));
  }
  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

/**

• <p> 区块链 </p>
• @author wangwei

• @date 2018/02/02
  */
  public class Blockchain {

  @Getter
  private List<Block> blockList;

  public Blockchain(List<Block> blockList) {
  this.blockList = blockList;
  }
  }
  添加区块

新增一个添加区块链的方法
/**

• <p> 添加区块 </p>
• @param data 数据
  */
  public void addBlock(String data) {
  Block previousBlock = blockList.get(blockList.size() - 1);
  this.addBlock(Block.newBlock(previousBlock.getHash(), data));
  }

/**

• <p> 添加区块 </p>
• @param block 区块
  */
  public void addBlock(Block block) {
  this.blockList.add(block);
  }
  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：
/**

• <p> 创建创世区块 </p>
• @return
  */
  public static Block newGenesisBlock() {
  return Block.newBlock("", "Genesis Block");
  }
  创建区块链

再在Blockchain中新增创建区块链的方法：
/**

• <p> 创建区块链 </p>
• @return
  */
  public static Blockchain newBlockchain() {
  List<Block> blocks = new LinkedList<>();
  blocks.add(Block.newGenesisBlock());
  return new Blockchain(blocks);
  }
  测试运行
  /**
• 测试
• @author wangwei

• @date 2018/02/05
  */
  public class BlockchainTest {

  public static void main(String[] args) {

  Blockchain blockchain = Blockchain.newBlockchain();
  blockchain.addBlock("Send 1 BTC to Ivan");
  blockchain.addBlock("Send 2 more BTC to Ivan");
  
  for (Block block : blockchain.getBlockList()) {
      System.out.println("Prev. hash: " + block.getPreviousHash());
      System.out.println("Data: " + block.getData());
      System.out.println("Hash: " + block.getHash());
      System.out.println();
  }

  }
  }

/**

• 输出如下信息：
  */
  Prev. hash:
  Data: Genesis Block
  Hash: 4492cb9d396a9a52e7ff17ef3782f022ddcdc7b2c276bc6dd3d448b0655eb3d4

Prev. hash: 4492cb9d396a9a52e7ff17ef3782f022ddcdc7b2c276bc6dd3d448b0655eb3d4
Data: Send 1 BTC to Ivan
Hash: cd716d59d98ad673035ab7035ece751718ea9842944a4743c298bebc0fe24c04

Prev. hash: cd716d59d98ad673035ab7035ece751718ea9842944a4743c298bebc0fe24c04
Data: Send 2 more BTC to Ivan
Hash: 42f78d6a86f88aa9b5b10e468494dfd1b3f558a9fb74a01eb348c2cbfc5d000a
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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。