使用Java实现简单的区块链程序代码方法

作者：袖梨 2022-06-29

本篇文章小编给大家分享一下使用Java实现简单的区块链程序代码方法，文章代码介绍的很详细，小编觉得挺不错的，现在分享给大家供大家参考，有需要的小伙伴们可以来看看。

什么是区块链？

那么，让我们先来了解一下区块链到底是什么…

好吧，它的起源可以追溯到Satoshi Nakamoto在2008年发表的关于比特币的白皮书。

区块链是一个分散的信息分类帐。它由通过使用密码学连接的数据块组成。它属于通过公共网络连接的节点网络。当我们稍后尝试构建一个基本教程时，我们将更好地理解这一点。

我们必须了解一些重要的属性，让我们来了解一下：

防篡改：首先，数据作为块的一部分是防篡改的。每个块都由一个加密摘要（通常称为散列）引用，使得块能够防篡改。

去中心化：整个区块链在网络上完全去中心化。这意味着没有主节点，网络中的每个节点都有相同的副本。

透明：每个参与网络的节点通过与其他节点协商一致，对其链进行验证并添加新的块。因此，每个节点都具有数据的完全可见性。

区块链是如何工作的？

现在，让我们来了解区块链是如何工作的。

区块链的基本单位是区块。单个块可以封装多个事务或其他有价值的数据：

开采区块

我们用散列值表示一个块。生成块的哈希值称为“挖掘”块。开采一个区块通常计算成本很高，因为它是“工作证明”。

块的散列通常由以下数据组成：

首先，块的散列由它封装的事务组成

散列还包括块创建的时间戳

它还包括一个nonce，一个用于密码学的任意数字

最后，当前块的散列还包括前一块的散列

网络中的多个节点可以同时竞争挖掘块。除了生成散列，节点还必须验证添加到块中的事务是否合法。第一个挖方块的人赢得比赛！

向区块链中添加区块

虽然挖掘块的计算成本很高，但验证块是否合法相对容易得多。网络中的所有节点都参与验证新开采的区块。

因此，在节点一致的情况下，一个新挖掘的区块被添加到区块链中。

现在，有几种共识协议可供我们用于验证。网络中的节点使用相同的协议来检测链的恶意分支。因此，即使引入恶意分支，也会很快被大多数节点拒绝。

Java中的基本区块链

现在我们已经有足够的上下文开始用Java构建一个基本的应用程序。

我们这里的简单示例将说明我们刚才看到的基本概念。生产级应用程序需要考虑很多问题，这些问题超出了本教程的范围。不过，我们稍后将讨论一些高级主题。

实现块

首先，我们需要定义一个简单的POJO来保存块的数据：

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();
    }
    // standard getters and setters
}

让我们了解一下我们在这里打包的东西：

nonce

计算散列

现在，我们如何计算块的散列呢？我们已经使用了 calculateBlockHash 方法，但还没有看到实现。在我们实现这个方法之前，花点时间来理解什么是散列是值得的。

散列是散列函数的输出。哈希函数将任意大小的输入数据映射为固定大小的输出数据。哈希对输入数据中的任何更改都非常敏感，无论更改多么小。

此外，仅仅从散列中获取输入数据是不可能的。这些属性使得哈希函数在密码学中非常有用。

那么，让我们看看如何在Java中生成块的哈希：

public String calculateBlockHash() {
    String dataToHash = previousHash 
      + Long.toString(timeStamp) 
      + Integer.toString(nonce) 
      + data;
    MessageDigest digest = null;
    byte[] bytes = null;
    try {
        digest = MessageDigest.getInstance("SHA-256");
        bytes = digest.digest(dataToHash.getBytes(UTF_8));
    } catch (NoSuchAlgorithmException | UnsupportedEncodingException ex) {
        logger.log(Level.SEVERE, ex.getMessage());
    }
    StringBuffer buffer = new StringBuffer();
    for (byte b : bytes) {
        buffer.append(String.format("%02x", b));
    }
    return buffer.toString();
}
public String calculateBlockHash() {
    String dataToHash = previousHash 
      + Long.toString(timeStamp) 
      + Integer.toString(nonce) 
      + data;
    MessageDigest digest = null;
    byte[] bytes = null;
    try {
        digest = MessageDigest.getInstance("SHA-256");
        bytes = digest.digest(dataToHash.getBytes(UTF_8));
    } catch (NoSuchAlgorithmException | UnsupportedEncodingException ex) {
        logger.log(Level.SEVERE, ex.getMessage());
    }
    StringBuffer buffer = new StringBuffer();
    for (byte b : bytes) {
        buffer.append(String.format("%02x", b));
    }
    return buffer.toString();
}

这里发生了很多事情，让我们详细了解一下：

MessageDigest

我们在那块地上挖矿了吗？

到目前为止，一切听起来都简单而优雅，只是我们还没有开采这个区块。那么，究竟需要挖掘一个区块，这已经吸引了开发人员一段时间的想象力！

嗯，挖掘一个区块意味着为这个区块解决一个计算复杂的任务。虽然计算一个块的散列有点琐碎，但找到以五个零开始的散列却不是。更复杂的是找到一个以十个零开始的散列，我们就得到了一个大概的想法。

那么，我们到底该怎么做呢？老实说，这个解决方案没有那么花哨！我们是用蛮力来达到这个目标的。我们在这里使用 nonce ：

public String mineBlock(int prefix) {
    String prefixString = new String(new char[prefix]).replace('', '0');
    while (!hash.substring(0, prefix).equals(prefixString)) {
        nonce++;
        hash = calculateBlockHash();
    }
    return hash;
}

让我们看看我们要做的是：

nonce

我们从默认值 nonce 开始，并将其递增1。但是，在现实世界的应用程序中，有更复杂的策略来启动和增加一个瞬间。另外，我们这里没有验证我们的数据，这通常是一个重要的部分。

让我们运行这个示例

现在我们已经定义了块及其函数，我们可以用它来创建一个简单的区块链。我们将此存储在 Arraypst 中：

List blockchain = new ArrayList<>();
int prefix = 4;
String prefixString = new String(new char[prefix]).replace('', '0');

此外，我们还定义了一个前缀4，这实际上意味着我们希望哈希以4个零开始。

让我们看看如何在这里添加块：

@Test
public void givenBlockchain_whenNewBlockAdded_thenSuccess() {
    Block 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);
}

区块链验证

节点如何验证区块链的有效性？虽然这可能相当复杂，但让我们考虑一个简单的版本：

@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);
}

因此，我们对每个街区进行三次具体检查：

当前块存储的哈希值实际上是它计算的值

当前块中存储的前一块的哈希就是前一块的哈希

当前区块已被开采

一些先进的概念

虽然我们的基本示例介绍了区块链的基本概念，但它肯定不完整。要将这项技术投入实际应用，还需要考虑其他几个因素。

虽然不可能详细说明所有这些问题，但我们还是来看看其中一些重要的问题：

交易验证

计算块的散列并找到所需的散列只是挖掘的一部分。数据块由数据组成，通常以多个事务的形式出现。在将其作为区块的一部分并开采之前，必须对其进行验证。

区块链的典型实现对一个区块可以包含多少数据设置了限制。它还设置了如何验证事务的规则。网络中的多个节点参与验证过程。

替代协商一致议定书

我们看到像“工作证明”这样的共识算法被用来挖掘和验证一个块。然而，这并不是唯一可用的一致性算法。