使用Java创建第一个区块链

jiezi

6 年前

本系列教程的目的是帮助你了解如何开发区块链技术。在本教程中，我们将：

创建你的第一个非常基础的区块链。
实施简单的工作量证明系统（采矿）。
探讨任何的可能性。

我假设你对面向对象编程有基本的了解。值得注意的是，这不是一个功能齐全的生产区块链。相反，这是一个概念验证实现，可帮助你了解区块链对于未来教程中区块链的作用。
配置
我们将使用 Java，但你应该能够使用任何 OOP 语言。我将使用 Eclipse，但你可以使用任何新的花哨的文本编辑器（虽然你会错过很多好的扩展）。
你会需要：

安装了 Java 和 JDK。
Eclipse 或其他 IDE。

或者你可以通过谷歌获取 GSON 库。这将允许我们将对象转换为 Json。这是一个非常有用的库，我们也将在 peer2peer 中使用更多的东西，但是可以随意使用替代方法。
在 Eclipse 中（file> new>）创建一个 Java 项目。我将把我的项目称为 noobchain，并使用相同的名称创建一个新类 NoobChain。

现在你就可以去试试:)
创建区块链。
区块链只是一个链 / 列表块。区块链中的每个区块都有自己的数字签名，包含前一个区块的数字签名，并且有一些数据（例如，这些数据可能是交易）。

哈希 = 数字签名。
每个块不仅包含之前块的哈希值，而且它自己的哈希部分是从前一个哈希计算的。如果前一个块的数据被改变，那么前一个块的哈希将改变（因为它部分地由数据计算），进而影响其后的块的所有哈希。计算和比较哈希值可以让我们看到区块链是否无效。
这是什么意思？… 更改此列表中的任何数据，将更改签名并破坏区块链。
所以先让我们创建构成区块链的类 Block：
import java.util.Date;

public class Block {

public String hash;
public String previousHash;
private String data; //our data will be a simple message.
private long timeStamp; //as number of milliseconds since 1/1/1970.

//Block Constructor.
public Block(String data,String previousHash) {
this.data = data;
this.previousHash = previousHash;
this.timeStamp = new Date().getTime();
}
}
正如你所看到的，我们的基本块包含一个 String hash，它将保存我们的数字签名。变量 previousHash 用于保存前一个块的哈希和 String data 以保存我们的块数据。
接下来我们需要一种生成数字签名的方法，你可以选择许多加密算法，但 SHA256 适用于此示例。我们可以 import java.security.MessageDigest; 访问 SHA256 算法。
我们需要稍后使用 SHA256，以便在新的 StringUtil utility 类中创建一个方便的 helper 方法：
import java.security.MessageDigest;

public class StringUtil {
//Applies Sha256 to a string and returns the result.
public static String applySha256(String input){
try {
MessageDigest digest = MessageDigest.getInstance(“SHA-256”);
//Applies sha256 to our input,
byte[] hash = digest.digest(input.getBytes(“UTF-8”));
StringBuffer hexString = new StringBuffer(); // This will contain hash as hexidecimal
for (int i = 0; i < hash.length; i++) {
String hex = Integer.toHexString(0xff & hash[i]);
if(hex.length() == 1) hexString.append(‘0’);
hexString.append(hex);
}
return hexString.toString();
}
catch(Exception e) {
throw new RuntimeException(e);
}
}
}
如果你不理解这个帮助方法的内容，不要太担心，你需要知道的是它需要一个字符串并对其应用 SHA256 算法，并将生成的签名作为字符串返回。
现在让我们使用我们的 applySha256 helper，在 Block 类的新方法中计算哈希值。我们必须计算我们不想被篡改的块的所有部分的哈希值。因此，对于我们的块，我们将包括 previousHash，data 和 timeStamp。

public String calculateHash() {
String calculatedhash = StringUtil.applySha256(
previousHash +
Long.toString(timeStamp) +
data
);
return calculatedhash;
}
并让我们将此方法添加到 Block 构造函数中 …
public Block(String data,String previousHash) {
this.data = data;
this.previousHash = previousHash;
this.timeStamp = new Date().getTime();
this.hash = calculateHash(); //Making sure we do this after we set the other values.
}
一些测试时间 ……
在我们的主 NoobChain 类中，我们可以创建一些块并将哈希值打印到屏幕上，以查看所有内容是否正常工作。
让我们测试一下 …… 第一个块称为 genesis 块，因为没有先前的块，我们只需输入“0”作为前一个哈希。
public class NoobChain {

public static void main(String[] args) {

Block genesisBlock = new Block(“Hi im the first block”, “0”);
System.out.println(“Hash for block 1 : ” + genesisBlock.hash);

Block secondBlock = new Block(“Yo im the second block”,genesisBlock.hash);
System.out.println(“Hash for block 2 : ” + secondBlock.hash);

Block thirdBlock = new Block(“Hey im the third block”,secondBlock.hash);
System.out.println(“Hash for block 3 : ” + thirdBlock.hash);

}
}
输出应该类似于：

你的值会有所不同，因为你的时间戳会有所不同。
每个块现在都有自己的数字签名，基于其信息和前一个块的签名。
目前它不是一个区块链，所以让我们将块存储在 ArrayList 中，并导入 gson 以将其视为 Json。（单击此处了解如何导入 gson 库）
import java.util.ArrayList;
import com.google.gson.GsonBuilder;

public class NoobChain {

public static ArrayList<Block> blockchain = new ArrayList<Block>();

public static void main(String[] args) {
//add our blocks to the blockchain ArrayList:
blockchain.add(new Block(“Hi im the first block”, “0”));
blockchain.add(new Block(“Yo im the second block”,blockchain.get(blockchain.size()-1).hash));
blockchain.add(new Block(“Hey im the third block”,blockchain.get(blockchain.size()-1).hash));

String blockchainJson = new GsonBuilder().setPrettyPrinting().create().toJson(blockchain);
System.out.println(blockchainJson);
}

}
现在我们的输出应该看起来更接近我们对区块链的期望。
现在我们需要一种方法来检查区块链的完整性。
让我们在 NoobChain 类中创建一个 isChainValid() 的布尔值方法，它将遍历链中的所有块并比较哈希值。此方法需要检查哈希变量实际上是否等于计算的哈希值，并且前一个块的哈希值等于 previousHash 变量。
public static Boolean isChainValid() {
Block currentBlock;
Block previousBlock;

//loop through blockchain to check hashes:
for(int i=1; i < blockchain.size(); i++) {
currentBlock = blockchain.get(i);
previousBlock = blockchain.get(i-1);
//compare registered hash and calculated hash:
if(!currentBlock.hash.equals(currentBlock.calculateHash()) ){
System.out.println(“Current Hashes not equal”);
return false;
}
//compare previous hash and registered previous hash
if(!previousBlock.hash.equals(currentBlock.previousHash) ) {
System.out.println(“Previous Hashes not equal”);
return false;
}
}
return true;
}
对区块链块的任何更改都将导致此方法返回 false。
在比特币网络节点上共享其区块链，并且网络接受最长的有效链。什么阻止某人篡改旧块中的数据然后创建一个全新的更长的区块链并将其呈现给网络？工作量证明。工作系统的 hashcash 证明意味着创建新块需要相当多的时间和计算能力。因此，攻击者需要比其他对等组合更多的计算能力。
让我们开始挖掘块！
我们将要求矿工通过在块中尝试不同的变量值来进行工作量证明，直到其哈希以一定数量的 0 开始。
让我们在 calculateHash() 方法中添加一个名为 nonce 的 int，以及非常需要的 mineBlock() 方法：
import java.util.Date;

public class Block {

public String hash;
public String previousHash;
private String data; //our data will be a simple message.
private long timeStamp; //as number of milliseconds since 1/1/1970.
private int nonce;

//Block Constructor.
public Block(String data,String previousHash) {
this.data = data;
this.previousHash = previousHash;
this.timeStamp = new Date().getTime();

this.hash = calculateHash(); //Making sure we do this after we set the other values.
}

//Calculate new hash based on blocks contents
public String calculateHash() {
String calculatedhash = StringUtil.applySha256(
previousHash +
Long.toString(timeStamp) +
Integer.toString(nonce) +
data
);
return calculatedhash;
}

public void mineBlock(int difficulty) {
String target = new String(new char[difficulty]).replace(‘\0’, ‘0’); //Create a string with difficulty * “0”
while(!hash.substring( 0, difficulty).equals(target)) {
nonce ++;
hash = calculateHash();
}
System.out.println(“Block Mined!!! : ” + hash);
}
}
实际上，每个矿工将从随机点开始迭代。一些矿工甚至可以尝试随机数来获取随机数。另外值得注意的是，在更难的解决方案可能需要超过 integer.MAX_VALUE，矿工可以尝试更改时间戳。
mineBlock() 方法接受一个名为 difficulty 的 int，这中间必须解决的数量为 0 的问题。在大多数计算机上几乎可以立即解决像 1 或 2 这样的低难度问题，我建议在 4 - 6 左右进行难度测试。在撰写本文时，Litecoin 的难度大约是 442,592。
让我们将难度作为静态变量添加到 NoobChain 类：
public static int difficulty = 5;
我们应该更新 NoobChain 类以触发每个新块的 mineBlock() 方法。isChainValid() 布尔值还应检查每个块是否具有已解决（通过挖掘）哈希。
import java.util.ArrayList;
import com.google.gson.GsonBuilder;

public class NoobChain {

public static ArrayList<Block> blockchain = new ArrayList<Block>();
public static int difficulty = 5;

public static void main(String[] args) {
//add our blocks to the blockchain ArrayList:

blockchain.add(new Block(“Hi im the first block”, “0”));
System.out.println(“Trying to Mine block 1… “);
blockchain.get(0).mineBlock(difficulty);

blockchain.add(new Block(“Yo im the second block”,blockchain.get(blockchain.size()-1).hash));
System.out.println(“Trying to Mine block 2… “);
blockchain.get(1).mineBlock(difficulty);

blockchain.add(new Block(“Hey im the third block”,blockchain.get(blockchain.size()-1).hash));
System.out.println(“Trying to Mine block 3… “);
blockchain.get(2).mineBlock(difficulty);

System.out.println(“\nBlockchain is Valid: ” + isChainValid());

String blockchainJson = new GsonBuilder().setPrettyPrinting().create().toJson(blockchain);
System.out.println(“\nThe block chain: “);
System.out.println(blockchainJson);
}

public static Boolean isChainValid() {
Block currentBlock;
Block previousBlock;
String hashTarget = new String(new char[difficulty]).replace(‘\0’, ‘0’);

挖掘每个区块需要一些时间！（大约 3 秒）你应该弄乱难度值，看看这会影响挖掘每个区块的时间。
如果有人要篡改区块链系统中的数据：

他们的区块链无效。
他们无法创建更长的区块链。
你网络中的诚实区块链将在最长的链条上具有时间优势。

被篡改的区块链将无法赶上更长且有效的链条。
除非它们的计算速度远远超过网络中所有其他节点的总和。未来的量子计算机或其他东西。
你已经完成了基本的区块链！
你的区块链：

由存储数据的块组成。
具有将你的块链接在一起的数字签名。
需要工作挖掘证明来验证新块。
可以检查其中的数据是否有效且未更改。

你可以在 Github 上下载项目文件。
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