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如何用120行Java代碼寫一個(gè)自己的區(qū)塊鏈

 更新時(shí)間:2019年06月06日 10:08:05   作者:浮云-Mignet  
這篇文章就是幫助你使用 Java 語言來實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡單的區(qū)塊鏈,用不到 120 行代碼來揭示區(qū)塊鏈的原理,感興趣的就一起來了解一下

區(qū)塊鏈?zhǔn)悄壳白顭衢T的話題,廣大讀者都聽說過比特幣,或許還有智能合約,相信大家都非常想了解這一切是如何工作的。這篇文章就是幫助你使用 Java 語言來實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡單的區(qū)塊鏈,用不到 120 行代碼來揭示區(qū)塊鏈的原理!

“用不到120行 Java 代碼就能實(shí)現(xiàn)一個(gè)自己的區(qū)塊鏈!” 聽起來不可思議吧?有什么能比開發(fā)一個(gè)自己的區(qū)塊鏈更好的學(xué)習(xí)實(shí)踐方法呢?那我們就一起來實(shí)踐下!

因?yàn)槲覀兪且患覐氖禄ヂ?lián)網(wǎng)金融的科技公司,所以我們采用虛擬資產(chǎn)金額作為這篇文章中的示例數(shù)據(jù)。大家可以先為自己想一個(gè)數(shù)字,后面我們會(huì)用到。

 通過本文,你將可以做到:

1、創(chuàng)建自己的區(qū)塊鏈

2、理解 hash 函數(shù)是如何保持區(qū)塊鏈的完整性的

3、如何創(chuàng)造并添加新的塊

4、多個(gè)節(jié)點(diǎn)如何競爭生成塊

5、通過瀏覽器來查看整個(gè)鏈

6、所有其他關(guān)于區(qū)塊鏈的基礎(chǔ)知識(shí)

但是,對(duì)于比如工作量證明算法(PoW)以及權(quán)益證明算法(PoS)這類的共識(shí)算法文章中將不會(huì)涉及。

同時(shí)為了讓你更清楚得查看區(qū)塊鏈以及塊的添加,我們將網(wǎng)絡(luò)交互的過程簡化了,關(guān)于 P2P 網(wǎng)絡(luò)比如“對(duì)等網(wǎng)絡(luò)”等內(nèi)容將在將來的文章中講解。

讓我們開始吧!

設(shè)置

我們假設(shè)你已經(jīng)具備一點(diǎn) Java 語言的開發(fā)經(jīng)驗(yàn),以及maven項(xiàng)目構(gòu)建經(jīng)驗(yàn)。在安裝和配置 Java 開發(fā)環(huán)境后之后,我們新建maven項(xiàng)目,在pom中增加一些依賴:

<!-- 超小型web框架 --> 
    <dependency> 
      <groupId>com.sparkjava</groupId> 
      <artifactId>spark-core</artifactId> 
      <version>${spark.version}</version> 
    </dependency> 

Spark-web Framework是一個(gè)基于jetty的超小型框架,我們用它來寫http訪問的請(qǐng)求處理。

<dependency> 
      <groupId>commons-codec</groupId> 
      <artifactId>commons-codec</artifactId> 
      <version>${commons.codec.version}</version> 
    </dependency> 

這個(gè)通用包擁有幾乎所有加解密算法及常規(guī)操作

<dependency> 
      <groupId>com.google.code.gson</groupId> 
      <artifactId>gson</artifactId> 
      <version>2.8.2</version> 
    </dependency> 

Google的json包,當(dāng)然你可以使用你喜歡的其他json包。

最后,增加log相關(guān)的包

<!-- log start --> 
    <dependency> 
      <groupId>log4j</groupId> 
      <artifactId>log4j</artifactId> 
      <version>${log4j.version}</version> 
    </dependency> 
    <dependency> 
      <groupId>org.slf4j</groupId> 
      <artifactId>slf4j-api</artifactId> 
      <version>${slf4j.version}</version> 
    </dependency> 
    <dependency> 
      <groupId>org.slf4j</groupId> 
      <artifactId>slf4j-log4j12</artifactId> 
      <version>${slf4j.version}</version> 
    </dependency> 
    <!-- log end --> 

相關(guān)版本屬性設(shè)置

<properties> 
    <commons.codec.version>1.9</commons.codec.version> 
    <spark.version>2.6.0</spark.version> 
    <slf4j.version>1.6.6</slf4j.version> 
    <log4j.version>1.2.17</log4j.version> 
    <gson.version>2.8.2</gson.version> 
</properties> 

接下來,我們創(chuàng)建一個(gè) SparkWeb.java文件。之后我們的大部分工作都圍繞這個(gè)文件,讓我開始編碼吧!

數(shù)據(jù)模型

我們來定義一個(gè)Block類,它代表組成區(qū)塊鏈的每一個(gè)塊的數(shù)據(jù)模型:

public class Block { 
  /**是這個(gè)塊在整個(gè)鏈中的位置*/ 
  private int index; 
  /**顯而易見就是塊生成時(shí)的時(shí)間戳*/ 
  private String timestamp; 
  /**虛擬資產(chǎn)。我們要記錄的數(shù)據(jù)*/ 
  private int vac; 
  /**是這個(gè)塊通過 SHA256 算法生成的散列值*/ 
  private String hash; 
  /**指向前一個(gè)塊的 SHA256 散列值*/ 
  private String prevHash; 
  /** getters and setters**/  
} 

接著,我們?cè)俣x一個(gè)結(jié)構(gòu)表示整個(gè)鏈,最簡單的表示形式就是一個(gè) Block 的 順序表:

ArrayList<Block> blockChain 

我們使用散列算法(SHA256)來確定和維護(hù)鏈中塊和塊正確的順序,確保每一個(gè)塊的 PrevHash 值等于前一個(gè)塊中的 Hash 值,這樣就以正確的塊順序構(gòu)建出鏈:

[ index:0| hash:"xxxw"| preHash:""] - [ index:1| hash:"xxxx"| preHash:"xxxw"] - [ index2| hash:"xxxy"| preHash:"xxxx"]

散列和生成塊

我們?yōu)槭裁葱枰⒘??主要是兩個(gè)原因:

1、在節(jié)省空間的前提下去唯一標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)。散列是用整個(gè)塊的數(shù)據(jù)計(jì)算得出,在我們的例子中,將整個(gè)塊的數(shù)據(jù)通過 SHA256 計(jì)算成一個(gè)定長不可偽造的字符串。

2、維持鏈的完整性。通過存儲(chǔ)前一個(gè)塊的散列值,我們就能夠確保每個(gè)塊在鏈中的正確順序。任何對(duì)數(shù)據(jù)的篡改都將改變散列值,同時(shí)也就破壞了鏈。以我們從事的醫(yī)療健康領(lǐng)域?yàn)槔?,比如有一個(gè)惡意的第三方為了調(diào)整“人壽險(xiǎn)”的價(jià)格,而修改了一個(gè)或若干個(gè)塊中的代表不健康的 VAC 值,那么整個(gè)鏈都變得不可信了。

我們接著寫一個(gè)函數(shù),用來計(jì)算給定的數(shù)據(jù)的 SHA256 散列值:

public static String calculateHash(Block block) { 
    String record = (block.getIndex()) + block.getTimestamp() + (block.getVac()) + block.getPrevHash(); 
    return SHA256.crypt(record); 
} 

接下來我們就能得到一個(gè)生成塊的函數(shù):

public static Block generateBlock(Block oldBlock, int vac) { 
    Block newnewBlock = new Block(); 
    newBlock.setIndex(oldBlock.getIndex() + 1); 
    newBlock.setTimestamp(new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss").format(new Date())); 
    newBlock.setVac(vac); 
    newBlock.setPrevHash(oldBlock.getHash()); 
    newBlock.setHash(calculateHash(newBlock)); 
    return newBlock; 
} 

其中,Index 是從給定的前一塊的 Index 遞增得出,時(shí)間戳是直接通過 new Date() 函數(shù)來獲得的,Hash 值通過前面的 calculateHash 函數(shù)計(jì)算得出,PrevHash 則是給定的前一個(gè)塊的 Hash 值。

校驗(yàn)塊

搞定了塊的生成,接下來我們需要有函數(shù)幫我們判斷一個(gè)塊是否有被篡改。檢查 Index 來看這個(gè)塊是否正確得遞增,檢查 PrevHash 與前一個(gè)塊的 Hash 是否一致,再來通過 calculateHash 檢查當(dāng)前塊的 Hash 值是否正確。通過這幾步我們就能寫出一個(gè)校驗(yàn)函數(shù):

public static boolean isBlockValid(Block newBlock, Block oldBlock) { 
    if (oldBlock.getIndex() + 1 != newBlock.getIndex()) { 
      return false; 
    } 
    if (!oldBlock.getHash().equals(newBlock.getPrevHash())) { 
      return false; 
    } 
    if (!calculateHash(newBlock).equals(newBlock.getHash())) { 
      return false; 
    } 
    return true; 
  } 

除了校驗(yàn)塊以外,我們還會(huì)遇到一個(gè)問題:兩個(gè)節(jié)點(diǎn)都生成塊并添加到各自的鏈上,那我們應(yīng)該以誰為準(zhǔn)?這里的細(xì)節(jié)我們留到下一篇文章,這里先讓我們記住一個(gè)原則:始終選擇最長的鏈。

[block 1] -> [block 2] -> [block 3] -> [block 4] -> [block 5] -> 認(rèn)可

[block 1] -> [block 2] -> [block 3] -> [block 4] ->  丟棄

通常來說,更長的鏈表示它的數(shù)據(jù)(狀態(tài))是更加新的,所以我們需要一個(gè)函數(shù)能幫我們將本地的過期的鏈切換成最新的鏈:

public void replaceChain(ArrayList<Block> newBlocks) { 
    if (newBlocks.size() > blockChain.size()) { 
      blockChain = newBlocks; 
    } 
  } 

到這一步,我們基本就把所有重要的函數(shù)完成了。接下來,我們需要一個(gè)方便直觀的方式來查看我們的鏈,包括數(shù)據(jù)及狀態(tài)。通過瀏覽器查看 web 頁面可能是最合適的方式。

Web 服務(wù)

我猜你一定對(duì)傳統(tǒng)的 web 服務(wù)及開發(fā)非常熟悉,所以這部分你肯定一看就會(huì)。

借助 Spark Web Framework,來完成我們的 web 服務(wù),代碼如下:

public static void main(String[] args) { 
    // port(5678); //默認(rèn)端口是4567,你可以設(shè)置別的端口  
} 

OK,完成,對(duì),你沒看錯(cuò),就是一個(gè)空的main方法,就可以了。

接下來我們定義不同 endpoint 以及對(duì)應(yīng)的 handler。例如,對(duì)“/”的 GET 請(qǐng)求我們可以查看整個(gè)鏈,對(duì)“/”的 POST 請(qǐng)求可以創(chuàng)建一個(gè)新的塊。

GET 請(qǐng)求的 handler:

get("/", (q, a) ->{return gson.toJson(blockChain)}); 

為了簡化,我們直接以 JSON 格式返回整個(gè)鏈,你可以在瀏覽器中訪問 localhost:4567 或者 127.0.0.1:4567 來查看

POST 請(qǐng)求的 handler 稍微有些復(fù)雜,我們先來定義一下 POST 請(qǐng)求的 payload:

public class Message { 
  private int vac; 
//getters and setters 
} 

再看看 handler 的實(shí)現(xiàn):

post("/", (q, a) -> { 
String body = request.body(); 
       Message m = gson.fromJson(body, Message.class); 
       if (m == null) { 
         return "vac is NULL"; 
       } 
       int vac = m.getVac(); 
       Block lastBlock = blockChain.get(blockChain.size() - 1); 
       Block newBlock = generateBlock(lastBlock, vac); 
       if (isBlockValid(newBlock, lastBlock)) { 
         blockChain.add(newBlock); 
         LOGGER.debug(gson.toJson(blockChain)); 
       } else { 
         return "HTTP 500: Invalid Block Error"; 
       } 
       return "success!"; 
}); 

我們的 POST 請(qǐng)求體中可以使用上面定義的 payload,比如:

{"vac":7500}

還記得前面我們寫的 generateBlock 這個(gè)函數(shù)嗎?它接受一個(gè)“前一個(gè)塊”參數(shù),和一個(gè) VAC 值。POST handler 接受請(qǐng)求后就能獲得請(qǐng)求體中的 VAC 值,接著借助生成塊的函數(shù)以及校驗(yàn)塊的函數(shù)就能生成一個(gè)新的塊了!

除此之外,你也可以:

1、使用new GsonBuilder().setPrettyPrinting().create()這個(gè)函數(shù)可以以非常美觀和方便閱讀的方式將數(shù)據(jù)json化打印在控制臺(tái)里,方便調(diào)試。

2、測試 POST 請(qǐng)求時(shí),可以使用 POSTMAN 這個(gè) chrome 插件,相比 curl它更直觀和方便。也可以使用RESTClient這個(gè)FireFox插件。

快要大功告成了

接下來,我們把這些關(guān)于區(qū)塊鏈的函數(shù),web 服務(wù)的函數(shù)“組裝”起來:最重要的是,我們需要產(chǎn)生第一個(gè)塊(創(chuàng)世塊),來作為區(qū)塊鏈的頭。

//創(chuàng)世塊 
    Block genesisBlock = new Block(); 
    genesisBlock.setIndex(0); 
    genesisBlock.setTimestamp(new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss").format(new Date())); 
    genesisBlock.setVac(0); 
    genesisBlock.setPrevHash(""); 
    genesisBlock.setHash(calculateHash(genesisBlock)); 
    blockChain.add(genesisBlock); 

這里的 genesisBlock (創(chuàng)世塊)是 main 函數(shù)中最重要的部分,通過它來初始化區(qū)塊鏈,畢竟要有一個(gè)開始,第一個(gè)塊的 PrevHash 是空的。

哦耶!完成了

讓我們來啟動(dòng)它:

在終端中,我們可以看到 web 服務(wù)器啟動(dòng)的日志信息,并且打印出了創(chuàng)世塊的信息:

[INFO ] 2018-02-08 10:58:26 SparkWeb@(SparkWeb.java:132):[ 

"index": 0, 
"timestamp": "2018-02-08 10:58:25", 
"vac": 0, 
"hash": "7c2d2db62a82ac8aa3d843ff837c604d8bd17800f4c466d472c5df185b8967fa", 
"prevHash": "" 


[INFO ] 2018-02-08 10:58:26 Log@(Log.java:192):Logging initialized @1267ms to org.eclipse.jetty.util.log.Slf4jLog 
[INFO ] 2018-02-08 10:58:26 EmbeddedJettyServer@(EmbeddedJettyServer.java:127):== Spark has ignited ... 
[INFO ] 2018-02-08 10:58:26 EmbeddedJettyServer@(EmbeddedJettyServer.java:128):>> Listening on 0.0.0.0:4567 
[INFO ] 2018-02-08 10:58:26 Server@(Server.java:372):jetty-9.4.4.v20170414 
[INFO ] 2018-02-08 10:58:26 DefaultSessionIdManager@(DefaultSessionIdManager.java:364):DefaultSessionIdManager workerName=node0 
[INFO ] 2018-02-08 10:58:26 DefaultSessionIdManager@(DefaultSessionIdManager.java:369):No SessionScavenger set, using defaults 
[INFO ] 2018-02-08 10:58:26 HouseKeeper@(HouseKeeper.java:149):Scavenging every 600000ms
 [INFO ] 2018-02-08 10:58:27 AbstractConnector@(AbstractConnector.java:280):Started ServerConnector@4c7573c5{HTTP/1.1,[http/1.1]}{0.0.0.0:4567} 
[INFO ] 2018-02-08 10:58:27 Server@(Server.java:444):Started @1669ms

接著我們打開瀏覽器,訪問 http://localhost:4567 這個(gè)地址,我們可以看到頁面中展示了當(dāng)前整個(gè)區(qū)塊鏈的信息(當(dāng)然,目前只有一個(gè)創(chuàng)世塊):

{ 
"index": 0, 
"timestamp": "2018-02-08 10:58:25", 
"vac": 0, 
"hash": "7c2d2db62a82ac8aa3d843ff837c604d8bd17800f4c466d472c5df185b8967fa", 
"prevHash": "" 
} 

接著,我們?cè)偻ㄟ^ RESRClient來發(fā)送一些 POST 請(qǐng)求:post http://localhost:4567/  {"vac":15} [send];

或者使用curl命令:curl -X POST -i http://localhost:4567/ --data '{"vac":125}'。

刷新剛才的http://localhost:4567 頁面,現(xiàn)在的鏈中多了一個(gè)塊,正是我們剛才生成的,同時(shí)可以看到,塊的順序和散列值都正確。

源碼:https://github.com/Mignet/blockchain

以上就是本文的全部內(nèi)容,希望對(duì)大家的學(xué)習(xí)有所幫助,也希望大家多多支持腳本之家。

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