只用120行Java代码写一个自己的区块链

2019-06-11 本文已影响0人宫若石

区块链是目前最热门的话题，广大读者都听说过比特币，或许还有智能合约，相信大家都非常想了解这一切是如何工作的。这篇文章就是帮助你使用 Java 语言来实现一个简单的区块链，用不到 120 行代码来揭示区块链的原理！
“用不到120行 Java 代码就能实现一个自己的区块链！” 听起来不可思议吧？有什么能比开发一个自己的区块链更好的学习实践方法呢？那我们就一起来实践下！
 因为我们是一家从事互联网金融的科技公司，所以我们采用虚拟资产金额作为这篇文章中的示例数据。大家可以先为自己想一个数字，后面我们会用到。

通过本文，你将可以做到：

1、创建自己的区块链
2、理解 hash 函数是如何保持区块链的完整性的
3、如何创造并添加新的块
4、多个节点如何竞争生成块
5、通过浏览器来查看整个链
6、所有其他关于区块链的基础知识

但是，对于比如工作量证明算法（PoW）以及权益证明算法（PoS）这类的共识算法文章中将不会涉及。
同时为了让你更清楚得查看区块链以及块的添加，我们将网络交互的过程简化了，关于 P2P 网络比如“对等网络”等内容将在将来的文章中讲解。
让我们开始吧！

设置
我们假设你已经具备一点 Java 语言的开发经验，以及maven项目构建经验。在安装和配置 Java 开发环境后之后，我们新建maven项目，在pom中增加一些依赖：

<dependency>
<groupId>com.sparkjava</groupId>
<artifactId>spark-core</artifactId>
<version>${spark.version}</version>
</dependency>

Spark-web Framework是一个基于jetty的超小型框架，我们用它来写http访问的请求处理。

       <groupId>commons-codec</groupId>

       <artifactId>commons-codec</artifactId>

       <version>${commons.codec.version}</version>

   </dependency>

这个通用包拥有几乎所有加解密算法及常规操作

       <groupId>com.google.code.gson</groupId>

       <artifactId>gson</artifactId>

       <version>2.8.2</version>

   </dependency>

Google的json包，当然你可以使用你喜欢的其他json包。

最后，增加log相关的包

   <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 -->

相关版本属性设置

   <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>

接下来，我们创建一个 SparkWeb.java文件。之后我们的大部分工作都围绕这个文件，让我开始编码吧！

数据模型

我们来定义一个Block类，它代表组成区块链的每一个块的数据模型：

public class Block {

/**是这个块在整个链中的位置*/

private int index;

/**显而易见就是块生成时的时间戳*/

private String timestamp;

/**虚拟资产。我们要记录的数据*/

private int vac;

/**是这个块通过 SHA256 算法生成的散列值*/

private String hash;

/**指向前一个块的 SHA256 散列值*/

private String prevHash;



/** getters and setters**/

}

接着，我们再定义一个结构表示整个链，最简单的表示形式就是一个 Block 的顺序表：

ArrayList<Block> blockChain

散列和生成块

我们为什么需要散列？主要是两个原因：

1、在节省空间的前提下去唯一标识数据。散列是用整个块的数据计算得出，在我们的例子中，将整个块的数据通过 SHA256 计算成一个定长不可伪造的字符串。

2、维持链的完整性。通过存储前一个块的散列值，我们就能够确保每个块在链中的正确顺序。任何对数据的篡改都将改变散列值，同时也就破坏了链。以我们从事的医疗健康领域为例，比如有一个恶意的第三方为了调整“人寿险”的价格，而修改了一个或若干个块中的代表不健康的 VAC 值，那么整个链都变得不可信了。

我们接着写一个函数，用来计算给定的数据的 SHA256 散列值：

public static String calculateHash(Block block) {

   String record = (block.getIndex()) + block.getTimestamp() + (block.getVac()) + block.getPrevHash();

   return SHA256.crypt(record);

}

接下来我们就能得到一个生成块的函数：

public static Block generateBlock(Block oldBlock, int vac) {

   Block newBlock = 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 是从给定的前一块的 Index 递增得出，时间戳是直接通过 new Date() 函数来获得的，Hash 值通过前面的 calculateHash 函数计算得出，PrevHash 则是给定的前一个块的 Hash 值。

校验块

搞定了块的生成，接下来我们需要有函数帮我们判断一个块是否有被篡改。检查 Index 来看这个块是否正确得递增，检查 PrevHash 与前一个块的 Hash 是否一致，再来通过 calculateHash 检查当前块的 Hash 值是否正确。通过这几步我们就能写出一个校验函数：

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;

}

除了校验块以外，我们还会遇到一个问题：两个节点都生成块并添加到各自的链上，那我们应该以谁为准？这里的细节我们留到下一篇文章，这里先让我们记住一个原则：始终选择最长的链。

[block 1] -> [block 2] -> [block 3] -> [block 4] -> [block 5] -> 认可
[block 1] -> [block 2] -> [block 3] -> [block 4] -> 丢弃

通常来说，更长的链表示它的数据（状态）是更加新的，所以我们需要一个函数能帮我们将本地的过期的链切换成最新的链：

public void replaceChain(ArrayList<Block> newBlocks) {

   if (newBlocks.size() > blockChain.size()) {

       blockChain = newBlocks;

   }

}

到这一步，我们基本就把所有重要的函数完成了。接下来，我们需要一个方便直观的方式来查看我们的链，包括数据及状态。通过浏览器查看 web 页面可能是最合适的方式。

Web 服务

我猜你一定对传统的 web 服务及开发非常熟悉，所以这部分你肯定一看就会。
借助 Spark Web Framework，来完成我们的 web 服务，代码如下：

public static void main(String[] args) {

   // port(5678); //默认端口是4567，你可以设置别的端口

}

OK，完成，对，你没看错，就是一个空的main方法，就可以了。

接下来我们定义不同 endpoint 以及对应的 handler。例如，对“/”的 GET 请求我们可以查看整个链，对“/”的 POST 请求可以创建一个新的块。

GET 请求的 handler：

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

为了简化，我们直接以 JSON 格式返回整个链，你可以在浏览器中访问 localhost:4567 或者 127.0.0.1:4567 来查看

POST 请求的 handler 稍微有些复杂，我们先来定义一下 POST 请求的 payload：

public class Message {

private int vac;

//getters and setters

}

再看看 handler 的实现：

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!";

});

我们的 POST 请求体中可以使用上面定义的 payload，比如：

{"vac":7500}

还记得前面我们写的 generateBlock 这个函数吗？它接受一个“前一个块”参数，和一个 VAC 值。POST handler 接受请求后就能获得请求体中的 VAC 值，接着借助生成块的函数以及校验块的函数就能生成一个新的块了！

除此之外，你也可以：

1、使用new GsonBuilder().setPrettyPrinting().create()这个函数可以以非常美观和方便阅读的方式将数据json化打印在控制台里，方便调试。

2、测试 POST 请求时，可以使用 POSTMAN 这个 chrome 插件，相比 curl它更直观和方便。也可以使用RESTClient这个FireFox插件。

快要大功告成了

接下来，我们把这些关于区块链的函数，web 服务的函数“组装”起来：最重要的是，我们需要产生第一个块（创世块），来作为区块链的头。

//创世块

   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);

这里的 genesisBlock （创世块）是 main 函数中最重要的部分，通过它来初始化区块链，毕竟要有一个开始，第一个块的 PrevHash 是空的。

哦耶！完成了

让我们来启动它：

在终端中，我们可以看到 web 服务器启动的日志信息，并且打印出了创世块的信息：

[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

接着我们打开浏览器，访问 http://localhost:4567 这个地址，我们可以看到页面中展示了当前整个区块链的信息（当然，目前只有一个创世块）：

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

接着，我们再通过 RESRClient来发送一些 POST 请求：post http://localhost:4567/ {"vac":15} [send];

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

刷新刚才的http://localhost:4567 页面，现在的链中多了一个块，正是我们刚才生成的，同时可以看到，块的顺序和散列值都正确。

只用120行Java代码写一个自己的区块链

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