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一、概述
区块链是一种分布式账本技术 (DLT)，起源能够追溯到 2008 年 中本聪发表的对于比特币的白皮书，它由一直增长的区块组成，这些区块应用加密技术平安地链接在一起。每个区块蕴含前一个区块的加密哈希、工夫戳和交易数据（通常示意为 Merkle 树，其中数据节点由叶子示意）。工夫戳证实交易数据在创立区块时曾经存在。因为每个块都蕴含无关前一个块的信息，因而它们无效地造成了一个链（相似链表数据结构），每个附加块都链接到它之前的块。因而，区块链交易是不可逆的，因为一旦记录下来，任何给定块的数据都不能在不更改所有后续块的状况下被更改。
二、区块链个性
- 防篡改：首先，作为区块的一部分的数据是防篡改的。每个区块都由加密摘要（通常称为哈希）援用，从而使区块防篡改。
- 去中心化：整个 区块链在网络上齐全去中心化。这意味着没有主节点，网络中的每个节点都有雷同的正本。
- 通明：参加网络的每个节点 通过与其余节点的共识 验证并在其链中增加一个新块。因而，每个节点都具备数据的残缺可见性。
三、区块链的运作机制
区块链的根本单位是 区块 。
3.1 开掘一个区块
咱们用哈希值示意一个区块。生成区块的哈希值称为 ” 开掘 ” 区块。开掘一个区块通常在计算上很低廉，因为它须要做大量的计算。
区块的哈希通常由以下数据组成：
- 区块的散列次要由它封装的交易组成
- 哈希还蕴含区块创立的工夫戳
- 它还包含随机数，密码学中应用的任意数字
- 最初，以后区块的哈希还包含前一个区块的哈希
网络中的多个 节点能够同时竞争开掘 区块。除了生成哈希，节点还必须验证增加到区块中的交易是否非法。第一个挖到区块的人能够取得这个区块。
3.2 将区块增加到区块链中
尽管开掘一个区块的计算成本很高，但 验证一个区块是否非法则绝对容易得多。网络中的所有节点都参加验证新开采的区块。
因而，依据节点的共识，将新开掘的区块增加到区块链中。
当初，有几种可用的共识协定可供咱们用于验证。网络中的节点应用雷同的协定来检测链的歹意分支。因而，即便引入了歹意分支，也会很快被大多数节点回绝。
四、应用 Java 实现一个最根底的区块链
当初咱们曾经有了足够的上下文来开始用 Java 构建一个根本的区块链应用程序。
咱们会应用最简略的代码表白上述概念。当然，如果要把代码部署到生产环境，会有很多须要优化的中央。
4.1 实现一个区块
首先，咱们须要定义一个简略的类来保留咱们区块的数据：
public class Block {
private String hash;
private String previousHash;
private String data;
private long timeStamp;
private int nonce;
public Block(String data, String previousHash, long timeStamp) {
this.data = data;
this.previousHash = previousHash;
this.timeStamp = timeStamp;
this.hash = calculateBlockHash();}
...
}一个区块次要蕴含以下信息：
- 上一个区块的哈希，是构建链的重要局部
- 理论数据，任何有价值的信息，如合同
- 该区块创立的工夫戳
- 随机数，它是密码学中应用的任意数字
- 最初是这个块的哈希，依据其余数据计算得出
4.2 计算哈希
咱们要如何计算一个区块的哈希值呢？咱们应用了 calculateBlockHash 办法，但还没有看到具体实现。散列是散列函数的输入。哈希函数将任意大小的输出数据映射到固定大小的输入数据。输出数据的任何变动都会造成最终散列值的变动。此外，仅从哈希值中反推输出数据是不可能的。这些个性使散列函数在密码学中十分有用。上面代码展现了如何在 Java 中生成块的哈希：
public String calculateBlockHash() {
String dataToHash = previousHash + timeStamp + nonce + data;
MessageDigest digest = null;
byte[] bytes = null;
try {digest = MessageDigest.getInstance("SHA-256");
bytes = digest.digest(dataToHash.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
} catch (NoSuchAlgorithmException ex) {logger.log(Level.SEVERE, ex.getMessage());
}
StringBuilder buffer = new StringBuilder();
for (byte b : bytes) {buffer.append(String.format("%02x", b));
}
return buffer.toString();}这里次要做的事件如下：
- 连贯区块的不同局部以生成哈希
- 从 MessageDigest 取得一个 SHA-256 哈希函数的实例
- 生成输出数据的哈希值，它是一个字节数组
- 将字节数组转换为十六进制字符串，哈希通常示意为 32 位十六进制数
4.3 确定是否曾经开采区块
到目前为止，除了咱们还没有开采这个区块，所有看起来都非常简单。然而，开掘一个区块意味着为该区块解决一个计算简单的工作。尽管计算一个区块的散列有些微不足道，但如果要找到以五个零结尾的哈希值，可能须要破费很多计算资源，当然如果想找到一个以十个零结尾的哈希值那就更难了。
那么，咱们该怎么做呢？诚实说，解决方案没有那么花哨，咱们会试图以暴力的办法实现这个指标，在这里咱们会应用 nonce：
public String mineBlock(int prefix) {String prefixString = new String(new char[prefix]).replace('\0', '0');
while (!hash.substring(0, prefix).equals(prefixString)) {
nonce++;
hash = calculateBlockHash();}
return hash;
}这里次要做的事件如下：
- 定义咱们心愿找到的前缀
- 查看是否找到满足条件的哈希值
- 如果不是，咱们减少随机数并在循环中计算哈希
- 循环始终继续到咱们找到满足条件的哈希值
这里 nonce 会从默认值开始递增并每次 +1，当然如果利用到生产环境，会有更多 简单的策略来设置和减少随机数。
4.4 运行示例
当初咱们曾经定义了区块及其性能，咱们能够应用它来创立一个简略的区块链，咱们会将其存储在 ArrayList 中：
List<Block> blockchain = new ArrayList<>();
int prefix = 4;
String prefixString = new String(new char[prefix]).replace('\0', '0');另外，咱们定义了一个前缀 4，这实际上意味着咱们心愿咱们的哈希以四个零结尾，上面这个代码演示了如何在区块链中减少一个 Block：
@Test
public void givenBlockchain_whenNewBlockAdded_thenSuccess() {
区块 newBlock = new Block(
"The is a New Block.",
blockchain.get(blockchain.size() - 1).getHash(),
new Date().getTime());
newBlock.mineBlock(prefix);
assertTrue(newBlock.getHash().substring(0, prefix).equals(prefixString));
blockchain.add(newBlock);
}4.5 验证区块链
理论如何验证区块链可能会非常复杂，但咱们这里能够给出的一个最简略的示例：
@Test
public void givenBlockchain_whenValidated_thenSuccess() {
boolean flag = true;
for (int i = 0; i < blockchain.size(); i++) {String previousHash = i==0 ? "0" : blockchain.get(i - 1).getHash();
flag = blockchain.get(i).getHash().equals(blockchain.get(i).calculateBlockHash())
&& previousHash.equals(blockchain.get(i).getPreviousHash())
&& blockchain.get(i).getHash().substring(0, prefix).equals(prefixString);
if (!flag) break;
}
assertTrue(flag);
}在这里会对每个区块进行以下查看：
- 以后区块存储的哈希其实就是它计算出来的
- 以后块中存储的前一个块的哈希就是前一个块的哈希
- 以后区块已被开采
五、一些高级概念
尽管咱们的根本示例提出了区块链的基本概念，但它必定不残缺。如果要将这项技术投入理论利用，还须要思考很多其余因素。尽管不可能在这篇文章中把所有的都讲清楚，但能够挑一些重要的来讲：
5.1 交易验证
计算区块的哈希值并找到所需的哈希值只是挖矿的一部分。一个块由数据组成，通常以多个事务的模式呈现。这些必须通过验证，而后能力成为区块的一部分并被开采。
5.2 代替共识协定
咱们看到像 ” 工作量证实 ” 这样的共识算法被用来开掘和验证一个区块。然而，这并不是惟一可用的共识算法。还有 几种其余共识算法可供选择，例如权利证实、权威证实和权重证实。这几种类型都有其各自的优缺点。应用哪一个算法取决于咱们设计的应用程序类型。
5.3 挖矿处分
区块链网络通常由被迫节点组成。为什么会有人违心为这个简单的过程做出奉献并放弃其合法性和发展性呢？次要是因为 节点会因验证交易和开掘区块 而取得处分。这些处分通常以与应用程序币的模式呈现。然而应用程序也能够决定处分是任何有价值的货色。
5.4 节点类型
区块链齐全依赖其网络来运行。实践上，网络是齐全去中心化的，每个节点都是平等的。然而，在实践中，一个网络由多种类型的节点组成。
一个残缺的节点有一个残缺的交易列表，一个轻量节点只会持有局部列表。此外，并非所有节点都参会与验证和确认。
5.5 平安通信
区块链技术的标记之一是其开放性和匿名性。但它如何为外部进行的交易提供安全性是 基于密码学和公钥基础设施。交易的发起者应用他们的私钥来爱护它并将其附加到接收者的公钥上。节点能够应用参与者的公钥来验证交易。
六、区块链的理论利用
区块链这项技术曾经存在了一段时间，它在许多畛域都有理论的利用：
- 货币：这是迄今为止最广为人知的区块链用处，这次要归功于比特币的胜利。
- 数字身份：数字身份正在迅速成为当今世界的常态，然而数字身份始终被平安问题和篡改所困扰。区块链以齐全平安和防篡改的个性彻底改变了这一畛域。
- 医疗：医疗行业领有大量数据，然而它的数据会次要由特定的机构解决，这样当然会升高解决此类数据的透明度、安全性和效率。区块链技术能够解决其余零碎可能解决不了的信赖问题。
七、小结
在这篇文章中咱们解释了和区块链技术无关的基本概念，也应用最简略的 Java 代码实现了这些基本概念。相干代码能够在 GitHub 的仓库 hunterzhang86/blockchain-java 中找到。
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