简单的代码演示区块链是什么

本文的目的是帮助你真正理解区块链是什么。我们将通过实战学习的方式,用 Java创建一个非常基本的区块链,实现简单的工作量证明系统,并在此基础上 进行扩展。Java源代码保存在Github

(文章是参考最后参考连接文章加一些自己的理解而写的)

创建区块链

区块链就是一串或者是一系列区块的集合,类似于链表的概念,每个区块都指向于后面一个区块,然后顺序的连接在一起。

那么每个区块中的内容是什么呢?在区块链中的每一个区块都存放了很多很有价值的信息,主要包括三个部分:自己的数字签名(什么是数字签名,见最后面的名词解释),上一个区块的数字签名,还有一切需要加密的数据。

每个数字签名 不但证明了自己是特有的一个区块,而且指向了前一个区块的来源,让所有的区块在链条中可以串起来, 而数据就是一些特定的信息,你可以按照业务逻辑来保存业务数据。

为了简化,把区块内所有数据进行hash(什么是hash见最后面的名词解释)得到的数据为该区块的数字签名。

所以每一个区块不仅包含前一个区块的hash值,同时包含自身的一个hash值,自身的hash值是通过之前的hash值和数据data通过hash计算出来的。如果前一个区块的数据一旦被篡改了,那么前一个区块的hash值也会同样发生变化(因为数据也被计算在内),这样也就导致了所有后续的区块中的hash值会变。所以计算和比对hash值会让我们检查到当前的区块链是否是有效的,也就避免了数据被恶意 篡改的可能性,因为篡改数据就会改变hash值并破坏整个区块链。

定义区块链的类Block:

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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();
}
}

正如你可以看到我们的基本块包含String hash,它将保存我们的数字签名。变量 previoushash保存前一个块的hash和String data来保存我们的块数据

创建数字签名

熟悉加密算法的朋友们,Java方式可以实现的加密方式有很多,例如BASE、MD、RSA、SHA等等, 我在这里选用了SHA256这种加密方式,SHA(Secure Hash Algorithm)安全散列算法,这种算法 的特点是数据的少量更改会在Hash值中产生不可预知的大量更改,hash值用作表示大量数据的 固定大小的唯一值,而SHA256算法的hash值大小为256位。之所以选用SHA256是因为它的大小正合适, 一方面产生重复hash值的可能性很小,另一方面在区块链实际应用过程中,有可能会产生大量的区块, 而使得信息量很大,那么256位的大小就比较恰当了。

为了简化操作,直接使用codec库的org.apache.commons.codec.digest.DigestUtils类来调用SHA256算法

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String calculatedhash = DigestUtils.sha256Hex(input);

或许你不完全理解上述代码的含义,但是你只要理解所有的输入调用此方法后均会生成一个独一无二的hash值(数字签名), 而这个hash值在区块链中是非常重要的。

接下来让我们在Block类中应用sha256方法,其主要的目的就是计算hash值,我们计算的hash值 应该包括区块中所有我们不希望被恶意篡改的数据,在我们上面所列的Block类中就一定包括previousHash,data和timeStamp

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public String calculateHash() {
String calculatedhash = DigestUtils.sha256Hex(
previousHash +
Long.toString(timeStamp) +
data
);
return calculatedhash;
}

然后把这个方法加入到Block的构造函数中去

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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.
}

测试

在主方法中让我们创建一些区块,并把其hash值打印出来,来看看是否一切都在我们的预期中。

第一个块称为创世块,因为它是头区块,所以我们只需输入“0”作为前一个块的previous hash。

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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);

}
}

打印输出结果:

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Hash for block 1 : 4aa62fc026afbceb8b3f48d6add75abd02c05fb5f166a4e4d2ed3a80f2c05212
Hash for block 2 : 2e4ec6d0e8633dc424bd873aa641887bfedee455b458373a92d534f61b8f6f33
Hash for block 3 : 62c3851a213fafe8c4977b24c8f026f93c5df1a6e767d5cf1549f956d5cbb70d

每一个区块都必须要有自己的数据签名即hash值,这个hash值依赖于自身的信息(data)和上 一个区块的数字签名(previousHash),但这个还不是区块链,下面让我们存储区块到数组中, 这里我会引入gson包,目的是可以用json方式查看整个一条区块链结构。

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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);
}

}

输出的结果可能是

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[
{
"hash": "53bc5a7a8f965f12f4b7de48f239c136f8ad308f4699c88d192cb09b8b3495f8",
"previousHash": "0",
"data": "Hi im the first block",
"timeStamp": 1536200207563,
"nonce": 0
},
{
"hash": "a11c319cfaf1aa0c4fe9a22958e68e1605b4a66a13d56d9cd5aea2b6b808a6e3",
"previousHash": "53bc5a7a8f965f12f4b7de48f239c136f8ad308f4699c88d192cb09b8b3495f8",
"data": "Yo im the second block",
"timeStamp": 1536200207578,
"nonce": 0
},
{
"hash": "ffcdd49c394aff0be445e6cd842fea0c3c7e5ce23fa29ea241b77ef0587a2bf8",
"previousHash": "a11c319cfaf1aa0c4fe9a22958e68e1605b4a66a13d56d9cd5aea2b6b808a6e3",
"data": "Hey im the third block",
"timeStamp": 1536200207578,
"nonce": 0
}
]

这样的输出结构就更类似于我们所期待的区块链的样子。

检查区块链的完整性

在主方法中增加一个isChainValid()方法,目的是循环区块链中的所有区块并且比较hash值,这个方法用来检查hash值是否是于计算出来的hash值相等,同时previousHash值是否和前一个区块的hash值相等。或许你会产生如下的疑问,我们就在一个主函数中创建区块链中的区块,所以不存在被修改的可能性,但是你要注意的是,区块链中的一个核心概念就是去中心化, 每一个区块可能是在网络中的某一个节点中产生的,所以很有可能某个节点把自己节点中的 数据修改了,那么根据上述的理论数据改变会导致整个区块链的破裂,也就是区块链就无效了。

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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;
}

任何区块链中区块的一丝一毫改变都会导致这个函数返回false,也就证明了区块链无效了

在比特币网络中所有的网络节点都分享了它们各自的区块链,然而最长的有效区块链是被全网所统一承认的,如果有人恶意来篡改之前的数据,然后创建一条更长的区块链并全网布呈现在网络中,我们该怎么办呢?这就涉及到了区块链中另外一个重要的概念工作量证明, 这里就不得不提及一下hashcash,这个概念最早来自于AdamBack的一篇论文,主要应用于邮件过滤和比特币中防止双重支付。

挖矿

这里我们要求挖矿者做工作量证明,具体的方式是在区块中尝试不同的参数值直到它的hash值是从一系列的0开始的。让我们添加一个名为nonce的int类型以包含在我们的calculatehash() 方法中,以及需要的mineblock()方法

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import java.util.Date;

import org.apache.commons.codec.digest.DigestUtils;

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.
}
public String calculateHash() {
String calculatedhash = DigestUtils.sha256Hex(
previousHash +
Long.toString(timeStamp) +
Long.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);
}
}

mineBlock()方法中引入了一个int值称为difficulty难度,低的难度比如1和2,普通的电脑基本都可以马上计算出来, 我的建议是在4-6之间进行测试,普通电脑大概会花费3秒时间,在莱特币中难度大概围绕在442592左右,而在 比特币中每一次挖矿都要求大概在10分钟左右,当然根据所有网络中的计算能力,难度也会不断的进行修改。

我们在NoobChain类 中增加difficulty这个静态变量。

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public static int difficulty = 5;

这样我们必须修改主方法中让创建每个新区块时必须触发mineBlock()方法,而isChainValid()方法用来检查每个区块的hash值是否正确,整个区块链是否是有效的。

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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');

//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;
}
//check if hash is solved
if(!currentBlock.hash.substring( 0, difficulty).equals(hashTarget)) {
System.out.println("This block hasn't been mined");
return false;
}
}
return true;
}
}

打印

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Trying to Mine block 1... 
Block Mined!!! : 00000b97ccf50c18cc65e5dcb5cd6c60fd62694968cdd9d53fc5b6acc2fa6f74
Trying to Mine block 2...
Block Mined!!! : 00000b9d828c0c140444dab06ba587e278faa32e70d23f132d7abaa104976c4f
Trying to Mine block 3...
Block Mined!!! : 00000f70b1bb91a95cbbbd4c5e1cf22cd9538b51ff92f2973a53cc7ffb1a82c0

Blockchain is Valid: true

The block chain:
[
{
"hash": "00000b97ccf50c18cc65e5dcb5cd6c60fd62694968cdd9d53fc5b6acc2fa6f74",
"previousHash": "0",
"data": "Hi im the first block",
"timeStamp": 1536200647658,
"nonce": 36832
},
{
"hash": "00000b9d828c0c140444dab06ba587e278faa32e70d23f132d7abaa104976c4f",
"previousHash": "00000b97ccf50c18cc65e5dcb5cd6c60fd62694968cdd9d53fc5b6acc2fa6f74",
"data": "Yo im the second block",
"timeStamp": 1536200647782,
"nonce": 1044781
},
{
"hash": "00000f70b1bb91a95cbbbd4c5e1cf22cd9538b51ff92f2973a53cc7ffb1a82c0",
"previousHash": "00000b9d828c0c140444dab06ba587e278faa32e70d23f132d7abaa104976c4f",
"data": "Hey im the third block",
"timeStamp": 1536200649063,
"nonce": 404142
}
]

经过测试增加一个新的区块即挖矿必须花费一定时间,大概是3秒左右,你可以提高difficulty难度来看, 它是如何影响数据难题所花费的时间的

如果有人在你的区块链系统中恶意篡改数据:

  • 他们的区块链是无效的
  • 他们无法创建更长的区块链
  • 网络中诚实的区块链会在长链中更有时间的优势

因为篡改的区块链将无法赶上长链和有效链,除非他们比你网络中所有的节点拥有更大的计算速度, 可能是未来的量子计算机或者是其他什么。

总结

  • 区块中保存上一块的数字签名使区块可以形成链
  • 区块的数字签名由当前数据及上块的数字签名生成,若篡改数据,则签名会变化,无法通过效验
  • 增加计算区块的难度项,使长链中更有时间的优势

依赖

commons-codecgson

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<groupId>commons-codec</groupId>
<artifactId>commons-codec</artifactId>
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<groupId>com.google.code.gson</groupId>
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<version>2.7</version>
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相关名词的解释

  • 数字签名:这里说数字签名可以理解为一个无法伪造的身份标识,像自己名字的签名,别人无法伪造。
  • hash:又称散列算法、哈希函数,是一种从任何一种数据中创建小的数字“指纹”的方法。

参考