基于Java语言构建区块链（一）—— 基本原型

原文链接：https://wangwei.one/posts/df195d9.html

区块链技术是一项比人工智能更具革命性的技术，人工智能只是提高了人类的生产力，而区块链则将改变人类社会的生产关系，它将会颠覆我们人类社会现有的协作方式。了解和掌握区块链相关知识和技术，是我们每位开发人员必须要去做的事情，这样我们才能把握住这波时代趋势的红利。

本文将基于Java语言构建简化版的blockchain，来实现数字货币。

创建区块

区块链是由包含交易信息的区块从后向前有序链接起来的数据结构。区块被从后向前有序地链接在这个链条里，每个区块都指向前一个区块。以比特币为例，每个区块主要包含如下信息字段：

区块大小：用字节表示的区块数据大小

区块头hash值

父区块头hash值

时间戳：区块产生的近似时间

Merkle根：该区块中交易的merkle树根的哈希值

难度目标：该区块工作量证明算法的难度目标

Nonce：用于工作量证明算法的计数器

区块头：组成区块头的几个字段

交易计数器：交易的数量

交易：记录在区块里的交易信息

详见：《精通比特币》第7章——区块链

区块数据结构

在这里，我们主要是为了实现最简单的区块链结构，仅仅包含以下几个信息字段：

/**
 * 区块
 * @author wangwei
 * @date 2018/02/02
 */
public class Block {

    /**
     * 区块hash值
     */
    private String hash;
    /**
     * 前一个区块的hash值
     */
    private String previousHash;
    /**
     * 区块数据
     */
    private String data;
    /**
     * 区块创建时间戳
     */
    private long timeStamp;
}

区块Hash值计算

加密Hash值，一个通过SHA256算法对区块头进行二次哈希计算而得到的数字指纹。Hash值用于确保blockchain的安全。Hash计算是计算敏感的操作，即使在高性能电脑也需要花费一段时间来完成计算(这也就是为什么人们购买高性能GPU进行比特币挖矿的原因)。blockchain架构设计有意使Hash计算变得困难，这样做是为了加大新增一个block的难度，进而防止block在增加后被随意修改。

/**
 * @param previousHash 前一个区块hash值
 * @param data         该区块数据
 */
Block(String previousHash, String data) {
   this.previousHash = previousHash;
   this.data = data;
   this.timeStamp = System.currentTimeMillis();
   this.hash = this.calculateHash();
}

/**
 * <p> 计算区块Hash </p>
 * 对 previousHash + timeStamp + data 进行hash计算
 *
 * @return
 */
private String calculateHash() {
    return DigestUtils.sha256Hex(previousHash + Long.toString(timeStamp) + data);
}

注意：DigestUtils工具需要引入maven包 commons-digester3

创建区块链

区块链本质上是一种有序、反向链接链表的数据结构。这意味着，block按照插入的顺序存放，同时每个block都保存指向上一个block的链接。这种结构保证可以快速获取最新插入的block同时获取它的hash值。这种结构保证可以快速获取最新插入的block同时（高效地）获取它的hash值。

区块链数据结构

/**
 * <p> 区块链 </p>
 *
 * @author wangwei
 * @date 2018/02/02
 */
public class Blockchain {   
    private final List<Block> blockList = new LinkedList<>();
}

是不是很简单……

添加区块

新增一个添加区块链的方法

/**
 * <p> 添加区块  </p>
 *
 * @param data 数据
 */
public void addBlock(String data) {
   Block previousBlock = blockList.get(blockList.size() - 1);
   this.addBlock(new Block(previousBlock.getHash(), data));
}

/**
 * <p> 添加区块  </p>
 *
 * @param block 区块
 */
public void addBlock(Block block) {
   this.blockList.add(block);
}

创世区块

在添加区块之前，区块链必须有个创世区块，在Block中新增创世区块方法：

/**
  * <p> 创建创世区块 </p>
  *
  * @return
  */
public static Block newGenesisBlock() {
   return new Block("", "Genesis Block");
}

创建区块链

再在Blockchain中新增创建区块链的方法：

/**
 * <p> 创建区块链 </p>
 *
 * @return
 */
public static Blockchain newBlockchain() {
    Blockchain blockchain = new Blockchain();
    blockchain.addBlock(Block.newGenesisBlock());
    return blockchain;
}

测试运行

public class BlockchainTest {

    public static void main(String[] args) {
        Blockchain blockchain = Blockchain.newBlockchain();
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            blockchain.addBlock("I'm Block and my Block num is " + i);
        }

        for (Block block : blockchain.getBlockList()) {
            String previousHash = block.getPreviousHash();
            String data = block.getData();
            String hash = block.getHash();

            System.out.printf("previousHash= %s\n data= %s\n hash= %s\n\n", previousHash, data, hash);
        }
    }
}

/**
 * 输出如下信息：
 */
previousHash= 0
 data= Genesis Block
 hash= 8f9ff30f75cc9eeb490fc5253535c858df1dcd9427fb8b28b7d92a14f665f7ed

previousHash= 8f9ff30f75cc9eeb490fc5253535c858df1dcd9427fb8b28b7d92a14f665f7ed
 data= I'm Block and my Block num is 0
 hash= e005bd82f2d91bfa734265b976648acc7295f20a2b033963b3829de785f10082

previousHash= e005bd82f2d91bfa734265b976648acc7295f20a2b033963b3829de785f10082
 data= I'm Block and my Block num is 1
 hash= b2cff1bdfd9736e8cd8aa3685c819ee08269bd73495e21c7e90b167e4fee6810

previousHash= b2cff1bdfd9736e8cd8aa3685c819ee08269bd73495e21c7e90b167e4fee6810
 data= I'm Block and my Block num is 2
 hash= 9c54cb028e7d5f1bfbfad18a6f260c7a61cd7de3d599e89072fcd6de3b0dca46

previousHash= 9c54cb028e7d5f1bfbfad18a6f260c7a61cd7de3d599e89072fcd6de3b0dca46
 data= I'm Block and my Block num is 3
 hash= b91af6b177bc079b5606fa0b202602bf637c3accb275bbe03ffab28be7c8c734

previousHash= b91af6b177bc079b5606fa0b202602bf637c3accb275bbe03ffab28be7c8c734
 data= I'm Block and my Block num is 4
 hash= a193b96c9d71306c7ba2b6f42e3c923e1b21ce2b1929c494ff6ce5a4521fd05a

previousHash= a193b96c9d71306c7ba2b6f42e3c923e1b21ce2b1929c494ff6ce5a4521fd05a
 data= I'm Block and my Block num is 5
 hash= 801435c5a779110a8f504fb6ad07ab13e2fc7cae1c5b039103e94fe11ba467f9

previousHash= 801435c5a779110a8f504fb6ad07ab13e2fc7cae1c5b039103e94fe11ba467f9
 data= I'm Block and my Block num is 6
 hash= 83c4b6b8d364674294ae6c96808c87904560abfb0833d9aa4f4237907d8e1be9

previousHash= 83c4b6b8d364674294ae6c96808c87904560abfb0833d9aa4f4237907d8e1be9
 data= I'm Block and my Block num is 7
 hash= 584ff4372daa03bdcb9a89e89516b36a1713f91776c76059e7f93d20d04baf6d

previousHash= 584ff4372daa03bdcb9a89e89516b36a1713f91776c76059e7f93d20d04baf6d
 data= I'm Block and my Block num is 8
 hash= 28340ca4edd4a4115da7e77492ab693b7f1f3ace6a986df74e5ed1328af1ff65

previousHash= 28340ca4edd4a4115da7e77492ab693b7f1f3ace6a986df74e5ed1328af1ff65
 data= I'm Block and my Block num is 9
 hash= c0b8ebcac7ab86bc70d91616364b8e2006a4308dd3cfa41a383094ee96634fef

结论

我们构建了一个非常简单的区块链原型：它只是一个块的数组，每个块都与前一个块有连接。实际的区块链要复杂得多。在我们的区块链中添加新区块非常简单快捷，但是在真正的区块链中添加新区块需要做一些工作：在获得添加区块权限（此机制称为“工作量验证”）之前，必须执行一些繁重的计算。此外，区块链是一个非单一决策者的分布式数据库。因此，一个新的区块必须得到网络的其他参与者的确认和批准（这个机制被称为共识）。而且我们的区块链还没有任何交易信息！

在以后的文章中，我们将介绍这些功能。

源代码：https://github.com/wangweiX/blockchain-java

参考资料

https://jeiwan.cc/posts/building-blockchain-in-go-part-1/
https://medium.com/programmers-blockchain/create-simple-blockchain-java-tutorial-from-scratch-6eeed3cb03fa
《精通比特币（第二版）》