基于Java语言构建区块链（一）—— 基本原型

最终内容请以原文为准：https://wangwei.one/posts/df195d9.html

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 2018/02/02
 */
@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。

/**
 * <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

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

• 源代码：https://github.com/wangweiX/blockchain-java/tree/part1-Basic_Prototype

• https://jeiwan.cc/posts/building-blockchain-in-go-part-1/
• 《精通比特币（第二版）》

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