基於Java語言構建區塊鏈（一）—— 基本原型

標籤：java 分布式 程式員 後端

引言

區塊鏈技術是一項比人工智慧更具革命性的技術，人工智慧只是提高了人類的生產力，而區塊鏈則將改變人類社會的生產關係，它將會顛覆我們人類社會現有的協作方式。瞭解和掌握區塊鏈相關知識和技術，是我們每位開發人員必須要去做的事情，這樣我們才能把握住這波時代趨勢的紅利。

本文將基於Java語言構建簡化版的blockchain，來實現數字貨幣。

建立區塊
區塊鏈是由包含交易資訊的區塊從後向前有序連結起來的資料結構。區塊被從後向前有序地連結在這個鏈條裡，每個區塊都指向前一個區塊。以比特幣為例，每個區塊主要包含如下資訊欄位：

區塊大小：用位元組表示的區塊資料大小
區塊頭：組成區塊頭的幾個欄位
區塊頭hash值
父區塊頭hash值
時間戳記：區塊產生的近似時間
Merkle根：該區塊中交易的merkle樹根的雜湊值
難度目標：該區塊工作量證明演算法的難度目標
Nonce：用於工作量證明演算法的計數器
交易計數器：交易的數量
交易：記錄在區塊裡的交易資訊
詳見：《精通比特幣》（第二版）第9章——區塊鏈
區塊資料結構

在這裡，我們主要是為了實現最簡單的區塊鏈結構，僅僅包含以下幾個資訊欄位：

/**

• 區塊
• @author wangwei

• @date 2018/02/02br/>*/
  @Data
  

  /**

  • 區塊hash值
    */
    private String hash;
    /**
  • 前一個區塊的hash值
    */
    private String previousHash;
    /**
  • 區塊資料
    */
    private String data;
    /**
  • 區塊建立時間(單位: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;
  }
  }
  區塊Hash值計算

加密Hash值，一個通過SHA256演算法對區塊頭進行二次雜湊計算而得到的數位指紋。Hash值用於確保blockchain的安全。Hash計算是計算敏感的操作，即使在高效能電腦也需要花費一段時間來完成計算(這也就是為什麼人們購買高效能GPU進行比特幣挖礦的原因)。blockchain架構設計有意使Hash計算變得困難，這樣做是為了加大新增一個block的難度，進而防止block在增加後被隨意修改。

/**

• <p> 建立新區塊 </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;
  }

/**

• 計算區塊Hash
• <p>
• 注意：在準備區塊資料時，一定要從未經處理資料類型轉化為byte[]，不能直接從字串進行轉換

• @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));
  }
  建立區塊鏈
  區塊鏈本質上是一種有序、反向網站連結表的資料結構。這意味著，block按照插入的順序存放，同時每個block都儲存指向上一個block的連結。這種結構保證可以快速擷取最新插入的block同時擷取它的hash值。這種結構保證可以快速擷取最新插入的block同時（高效地）擷取它的hash值。

區塊鏈資料結構

/**

• <p> 區塊鏈 </p>
• @author wangwei

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

  @Getter
  private List<Block> blockList;

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

新增一個添加區塊鏈的方法
/**

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

/**

• <p> 添加區塊 </p>
• @param block 區塊
  */
  public void addBlock(Block block) {
  this.blockList.add(block);
  }
  創世區塊

在添加區塊之前，區塊鏈必須有個創世區塊，在Block中新增創世區塊方法：
/**

• <p> 建立創世區塊 </p>
• @return
  */
  public static Block newGenesisBlock() {
  return Block.newBlock("", "Genesis Block");
  }
  建立區塊鏈

再在Blockchain中新增建立區塊鏈的方法：
/**

• <p> 建立區塊鏈 </p>
• @return
  */
  public static Blockchain newBlockchain() {
  List<Block> blocks = new LinkedList<>();
  blocks.add(Block.newGenesisBlock());
  return new Blockchain(blocks);
  }
  測試回合
  /**
• 測試
• @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();}

  }
  }

/**

• 輸出如下資訊：
  */
  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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總結
我們構建了一個非常簡單的區塊鏈原型：它只是一個塊的數組，每個塊都與前一個塊有串連。 實際的區塊鏈要複雜得多。

缺少交易資訊：我們的區塊鏈還沒有任何交易資訊。
缺少工作量證明：我們的生產區塊非常簡單快捷，實際的區塊鏈中，生產一個區塊需要進行大量的計算。
缺少共識機制：區塊鏈是一個非單一決策者的分散式資料庫。 因此，一個新的區塊必須得到網路的其他參與者的確認和批
在以後的文章中，我們將介紹這些功能。

基於Java語言構建區塊鏈（一）—— 基本原型