用Java实现一个简单的区块链程序

在本文中，我们将学习区块链技术的基本概念。我们还将用Java实现一个基本的应用程序，重点介绍这些概念。

此外，我们还将讨论该技术的一些先进概念和实际应用。

什么是区块链？

那么，让我们先来了解一下区块链到底是什么…

好吧，它的起源可以追溯到Satoshi Nakamoto在2008年发表的关于比特币的白皮书。

区块链是一个分散的信息分类帐。它由通过使用密码学连接的数据块组成。它属于通过公共网络连接的节点网络。当我们稍后尝试构建一个基本教程时，我们将更好地理解这一点。

我们必须了解一些重要的属性，让我们来了解一下：

• 防篡改：首先，数据作为块的一部分是防篡改的。每个块都由一个加密摘要（通常称为散列）引用，使得块能够防篡改。
• 去中心化：整个区块链在网络上完全去中心化。这意味着没有主节点，网络中的每个节点都有相同的副本。
• 透明：每个参与网络的节点通过与其他节点协商一致，对其链进行验证并添加新的块。因此，每个节点都具有数据的完全可见性。

区块链是如何工作的？

现在，让我们来了解区块链是如何工作的。

区块链的基本单位是区块。单个块可以封装多个事务或其他有价值的数据：

开采区块

我们用散列值表示一个块。生成块的哈希值称为“挖掘”块。开采一个区块通常计算成本很高，因为它是“工作证明”。

块的散列通常由以下数据组成：

• 首先，块的散列由它封装的事务组成
• 散列还包括块创建的时间戳
• 它还包括一个nonce，一个用于密码学的任意数字
• 最后，当前块的散列还包括前一块的散列

网络中的多个节点可以同时竞争挖掘块。除了生成散列，节点还必须验证添加到块中的事务是否合法。第一个挖方块的人赢得比赛！

向区块链中添加区块

虽然挖掘块的计算成本很高，但验证块是否合法相对容易得多。网络中的所有节点都参与验证新开采的区块。

因此，在节点一致的情况下，一个新挖掘的区块被添加到区块链中。

现在，有几种共识协议可供我们用于验证。网络中的节点使用相同的协议来检测链的恶意分支。因此，即使引入恶意分支，也会很快被大多数节点拒绝。

Java中的基本区块链

现在我们已经有足够的上下文开始用Java构建一个基本的应用程序。

我们这里的简单示例将说明我们刚才看到的基本概念。生产级应用程序需要考虑很多问题，这些问题超出了本教程的范围。不过，我们稍后将讨论一些高级主题。

实现块

首先，我们需要定义一个简单的POJO来保存块的数据：

public class Block {
    private String hash;
    private String previousHash;
    private String data;
    private long timeStamp;
    private int nonce;
 
    public Block(String data, String previousHash, long timeStamp) {
        this.data = data;
        this.previousHash = previousHash;
        this.timeStamp = timeStamp;
        this.hash = calculateBlockHash();
    }
    // standard getters and setters
}

让我们了解一下我们在这里打包的东西：

• 前一块的散列，是构建链的重要部分
• 实际数据，任何有价值的信息，比如合同
• 创建此块的时间戳
• 一个nonce，是密码学中使用的任意数字
• 最后，根据其他数据计算出该块的哈希值

计算散列

现在，我们如何计算块的散列呢？我们已经使用了calculateBlockHash方法，但还没有看到实现。在我们实现这个方法之前，花点时间来理解什么是散列是值得的。

散列是散列函数的输出。哈希函数将任意大小的输入数据映射为固定大小的输出数据。哈希对输入数据中的任何更改都非常敏感，无论更改多么小。

此外，仅仅从散列中获取输入数据是不可能的。这些属性使得哈希函数在密码学中非常有用。

那么，让我们看看如何在Java中生成块的哈希：

public String calculateBlockHash() {
    String dataToHash = previousHash 
      + Long.toString(timeStamp) 
      + Integer.toString(nonce) 
      + data;
    MessageDigest digest = null;
    byte[] bytes = null;
    try {
        digest = MessageDigest.getInstance("SHA-256");
        bytes = digest.digest(dataToHash.getBytes(UTF_8));
    } catch (NoSuchAlgorithmException | UnsupportedEncodingException ex) {
        logger.log(Level.SEVERE, ex.getMessage());
    }
    StringBuffer buffer = new StringBuffer();
    for (byte b : bytes) {
        buffer.append(String.format("%02x", b));
    }
    return buffer.toString();
}

这里发生了很多事情，让我们详细了解一下：

• 首先，我们连接块的不同部分，从中生成散列
• 然后，我们从MessageDigest获得SHA-256哈希函数的一个实例
• 然后，我们生成输入数据的哈希值，这是一个字节数组
• 最后，我们将字节数组转换为十六进制字符串，哈希通常表示为32位十六进制数

我们在那块地上挖矿了吗？

到目前为止，一切听起来都简单而优雅，只是我们还没有开采这个区块。那么，究竟需要挖掘一个区块，这已经吸引了开发人员一段时间的想象力！

嗯，挖掘一个区块意味着为这个区块解决一个计算复杂的任务。虽然计算一个块的散列有点琐碎，但找到以五个零开始的散列却不是。更复杂的是找到一个以十个零开始的散列，我们就得到了一个大概的想法。

那么，我们到底该怎么做呢？老实说，这个解决方案没有那么花哨！我们是用蛮力来达到这个目标的。我们在这里使用nonce：

public String mineBlock(int prefix) {
    String prefixString = new String(new char[prefix]).replace('\0', '0');
    while (!hash.substring(0, prefix).equals(prefixString)) {
        nonce++;
        hash = calculateBlockHash();
    }
    return hash;
}

让我们看看我们要做的是：

• 我们首先定义要查找的前缀
• 然后我们检查是否找到了解决办法
• 如果不是，我们增加nonce并计算循环中的散列
• 循环一直持续到我们中头奖为止

我们从默认值nonce开始，并将其递增1。但是，在现实世界的应用程序中，有更复杂的策略来启动和增加一个瞬间。另外，我们这里没有验证我们的数据，这通常是一个重要的部分。

让我们运行这个示例

现在我们已经定义了块及其函数，我们可以用它来创建一个简单的区块链。我们将此存储在ArrayList中：

List<Block> blockchain = new ArrayList<>();
int prefix = 4;
String prefixString = new String(new char[prefix]).replace('\0', '0');

此外，我们还定义了一个前缀4，这实际上意味着我们希望哈希以4个零开始。

让我们看看如何在这里添加块：

@Test
public void givenBlockchain_whenNewBlockAdded_thenSuccess() {
    Block newBlock = new Block(
      "The is a New Block.", 
      blockchain.get(blockchain.size() - 1).getHash(),
      new Date().getTime());
    newBlock.mineBlock(prefix);
    assertTrue(newBlock.getHash().substring(0, prefix).equals(prefixString));
    blockchain.add(newBlock);
}

区块链验证

节点如何验证区块链的有效性？虽然这可能相当复杂，但让我们考虑一个简单的版本：

@Test
public void givenBlockchain_whenValidated_thenSuccess() {
    boolean flag = true;
    for (int i = 0; i < blockchain.size(); i++) {
        String previousHash = i==0 ? "0" : blockchain.get(i - 1).getHash();
        flag = blockchain.get(i).getHash().equals(blockchain.get(i).calculateBlockHash())
          && previousHash.equals(blockchain.get(i).getPreviousHash())
          && blockchain.get(i).getHash().substring(0, prefix).equals(prefixString);
            if (!flag) break;
    }
    assertTrue(flag);
}

因此，我们对每个街区进行三次具体检查：

• 当前块存储的哈希值实际上是它计算的值
• 当前块中存储的前一块的哈希就是前一块的哈希
• 当前区块已被开采

一些先进的概念

虽然我们的基本示例介绍了区块链的基本概念，但它肯定不完整。要将这项技术投入实际应用，还需要考虑其他几个因素。

虽然不可能详细说明所有这些问题，但我们还是来看看其中一些重要的问题：

交易验证

计算块的散列并找到所需的散列只是挖掘的一部分。数据块由数据组成，通常以多个事务的形式出现。在将其作为区块的一部分并开采之前，必须对其进行验证。

区块链的典型实现对一个区块可以包含多少数据设置了限制。它还设置了如何验证事务的规则。网络中的多个节点参与验证过程。

替代协商一致议定书

我们看到像“工作证明”这样的共识算法被用来挖掘和验证一个块。然而，这并不是唯一可用的一致性算法。

还有其他几种共识算法可供选择，如利害关系证明、权威性证明和权重证明。所有这些都有其利弊。使用哪一种取决于我们打算设计的应用程序的类型。

采矿奖励

区块链网络通常由自愿节点组成。现在，为什么会有人想为这个复杂的过程做出贡献，并保持它的合法性和增长？

这是因为节点因验证事务和挖掘块而获得奖励。这些奖励通常是与申请相关联的硬币形式。但是一个应用程序可以决定奖励是任何有价值的东西。

节点类型

区块链完全依赖其网络来运作。理论上，网络是完全分散的，每个节点都是平等的。然而，在实践中，一个网络由多种类型的节点组成。

完整节点有完整的事务列表，而轻型节点只有部分列表。此外，并非所有节点都参与验证和确认。

保密通信

区块链技术的一个特点是它的开放性和匿名性。但它如何为内部进行的交易提供安全性呢？这是基于密码学和公钥基础设施。

事务的发起方使用他们的私钥来保护它，并将它附加到接收方的公钥上。节点可以使用参与者的公钥来验证事务。

区块链的实际应用

因此，区块链似乎是一项令人兴奋的技术，但它也必须证明是有用的。这项技术已经存在了一段时间，而且——不用说——它已被证明在许多领域具有破坏性。

它在许多其他领域的应用正在积极进行。让我们了解一下最流行的应用程序：

• 货币：由于比特币的成功，这是迄今为止最古老和最广为人知的区块链应用。它们为全球人民提供安全无摩擦的资金，而无需任何中央当局或政府干预。
• 身份：数字身份正在迅速成为当今世界的常态。然而，这是深陷安全问题和篡改。区块链以完全安全和防篡改的身份彻底改变这一领域是不可避免的。
• 医疗保健：医疗保健行业充满了数据，主要由中央当局处理。这会降低处理此类数据的透明度、安全性和效率。区块链技术可以提供一个没有任何第三方提供急需信任的系统。
• 政府：这也许是一个很容易被区块链技术破坏的领域。政府通常是一些公民服务的中心，这些服务往往充斥着低效和腐败。区块链可以帮助建立更好的政府与公民关系。

行业工具

虽然我们在这里的基本实现有助于引出概念，但从头开始在区块链上开发产品是不实际的。谢天谢地，这个领域现在已经成熟了，我们确实有一些非常有用的工具可以开始。

让我们来看看一些流行的工具，以便在这个空间中工作：

• Solidity：Solidity是一种静态类型的面向对象编程语言，用于编写智能合约。它可以用于在以太坊等各种区块链平台上编写智能合约。
• RemixIDE：Remix是一个强大的开源工具，可以稳定地编写智能合约。这样用户就可以直接从浏览器中编写智能合约。
• Truffle套件：Truffle提供了一系列工具来帮助开发人员开始开发分布式应用程序。这包括松露、甘纳切和细雨。
• Ethlint/Solium：Solium允许开发人员确保他们在Solidity上编写的智能合约没有样式和安全问题。Solium也有助于解决这些问题。
• Parity：Parity有助于建立以太智能合约的开发环境。它提供了一种与区块链交互的快速和安全的方式。

小结

总之，在本文中，我们介绍了区块链技术的基本概念。我们了解了网络如何挖掘并在区块链中添加新区块。此外，我们还用Java实现了基本概念。我们还讨论了与此技术相关的一些高级概念。

最后，我们总结了区块链的一些实际应用以及可用的工具。

完整代码地址：https://github.com/eugenp/tutorials/tree/master/java-blockchain