基于Java语言构建区块链(一)—— 基本原型

文章的主要思想和内容均来自 https://jeiwan.cc/posts/building-blockchain-in-go-part-1/

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:

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/**
* 区块
*
* @author wangwei
* @date 2018/02/02
*/
@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。

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/**
* <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
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/**
* <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

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/**
* <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:

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/**
* <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:

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/**
* <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

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/**
* 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

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

https://press.one/file/v?s=e2926b487ace53de6e9defb2a68561220b8da974cf712dccf8f546c770e6df6813abeb96bdb49d4199858fa8e404959a8b07631fc0c9804787f45f816f8abef30&h=f3625969fe71d4d0b31df504b7f7c8598c5617fcf92b54238f65fa666724022c&a=23fe9bfd7ceef4b44c2ce44dcac8e4a49caf8026&f=P1&v=2

王维 / Michael  Wang wechat
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