千锋扣丁学堂区块链培训之用Java代码构建区块链

2019-06-20 14:35:56 3357浏览

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，下面千锋扣丁学堂区块链培训用不到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！

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：

<!-- 超小型web框架 --> 
       <dependency>  
           <groupId>com.sparkjava</groupId>  
           <artifactId>spark-core</artifactId>  
           <version>${spark.version}</version>  
       </dependency> 

Spark-webFramework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。

<dependency>  
           <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

<dependency>  
           <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

<!-- log start -->  
       <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

<properties>  
       <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 

我们使用散列算法（SHA256）来确定和维护链中块和块正确的顺序，确保每一个块的PrevHash值等于前一个块中的Hash值，这样就以正确的块顺序构建出链：

[index:0|hash:"xxxw"|preHash:""]-[index:1|hash:"xxxx"|preHash:"xxxw"]-[index2|hash:"xxxy"|preHash:"xxxx"]

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 newnewBlock = 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newDate()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。

[block1]->[block2]->[block3]->[block4]->[block5]->认可

[block1]->[block2]->[block3]->[block4]->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SparkWebFramework，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。POSThandler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newGsonBuilder().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：posthttp://localhost:4567/{"vac":15}[send];

或者使用curl命令：curl-XPOST-ihttp://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。

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