基於Java語言構建區塊鏈(一)—— 基本原型
引言
區塊鏈技術是一項比人工智能更具革命性的技術,人工智能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系,它將會顛覆我們人類社會現有的協作方式。了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。
創建區塊
區塊鏈是由包含交易信息的區塊從後向前有序鏈接起來的數據結構。區塊被從後向前有序地鏈接在這個鏈條裏,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信息字段:
區塊大小:用字節表示的區塊數據大小
區塊頭:組成區塊頭的幾個字段
區塊頭hash值
父區塊頭hash值
Merkle根:該區塊中交易的merkle樹根的哈希值
難度目標:該區塊工作量證明算法的難度目標
Nonce:用於工作量證明算法的計數器
交易計數器:交易的數量
交易:記錄在區塊裏的交易信息
詳見:《精通比特幣》(第二版)第9章——區塊鏈
區塊數據結構
在這裏,我們主要是為了實現最簡單的區塊鏈結構,僅僅包含以下幾個信息字段:
/**
- 區塊
- @author wangwei
-
@date 2018/02/02*/
@Data
br/>*/
@Data
/**
- 區塊hash值
*/
private String hash;
/** - 前一個區塊的hash值
*/
private String previousHash;
/** - 區塊數據
*/
private String data;
/** - 區塊創建時間(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 - 區塊hash值
加密Hash值,一個通過SHA256算法對區塊頭進行二次哈希計算而得到的數字指紋。Hash值用於確保blockchain的安全。Hash計算是計算敏感的操作,即使在高性能電腦也需要花費一段時間來完成計算(這也就是為什麽人們購買高性能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> 創建新區塊 </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>
- 註意:在準備區塊數據時,一定要從原始數據類型轉化為byte[],不能直接從字符串進行轉換
-
@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));
}
創建區塊鏈
區塊鏈本質上是一種有序、反向鏈接鏈表的數據結構。這意味著,block按照插入的順序存放,同時每個block都保存指向上一個block的鏈接。這種結構保證可以快速獲取最新插入的block同時獲取它的hash值。這種結構保證可以快速獲取最新插入的block同時(高效地)獲取它的hash值。
區塊鏈數據結構
/**
- <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 數據
*/
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> 創建創世區塊 </p>
- @return
*/
public static Block newGenesisBlock() {
return Block.newBlock("", "Genesis Block");
}
創建區塊鏈
再在Blockchain中新增創建區塊鏈的方法:
/**
- <p> 創建區塊鏈 </p>
- @return
*/
public static Blockchain newBlockchain() {
List<Block> blocks = new LinkedList<>();
blocks.add(Block.newGenesisBlock());
return new Blockchain(blocks);
}
測試運行
/** - 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
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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連接。 實際的區塊鏈要復雜得多。
缺少交易信息:我們的區塊鏈還沒有任何交易信息。
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布式數據庫。 因此,一個新的區塊必須得到網絡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