Java代碼如何實(shí)現(xiàn)區(qū)塊鏈

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讓我們來(lái)看看用 Java 代碼實(shí)現(xiàn)區(qū)塊鏈的可能性。我們從基本原理出發(fā)，開(kāi)發(fā)一些代碼來(lái)演示它們是如何融合在一起的。

Bitcoin炙手可熱 —— 多么的輕描淡寫。雖然數(shù)字加密貨幣的前景尚不明確，但區(qū)塊鏈 —— 用于驅(qū)動(dòng)比特幣的技術(shù) —— 卻非常流行。

區(qū)塊鏈的應(yīng)用領(lǐng)域尚未探索完畢。它也有可能會(huì)破壞企業(yè)自動(dòng)化。關(guān)于區(qū)塊鏈的工作原理，有很多可用的信息。我們有一個(gè)深度區(qū)塊鏈的免費(fèi)白皮書(shū)（無(wú)需注冊(cè)）。

本文將重點(diǎn)介紹區(qū)塊鏈體系結(jié)構(gòu)，特別是通過(guò)簡(jiǎn)單的代碼示例演示“不可變，僅附加”的分布式賬本是如何工作的。

作為開(kāi)發(fā)者，閱讀代碼會(huì)比閱讀技術(shù)文章更容易理解。至少對(duì)我來(lái)說(shuō)是這樣。那么我們開(kāi)始吧！

簡(jiǎn)述區(qū)塊鏈

首先我們簡(jiǎn)要總結(jié)下區(qū)塊鏈。區(qū)塊包含一些頭信息和任意一組數(shù)據(jù)類型或一組交易。該鏈從第一個(gè)（初始）區(qū)塊開(kāi)始。隨著交易被添加/擴(kuò)展，將基于區(qū)塊中可以存儲(chǔ)多少交易來(lái)創(chuàng)建新區(qū)塊。

當(dāng)超過(guò)區(qū)塊閥值大小時(shí)，將創(chuàng)建一個(gè)新的交易區(qū)塊。新區(qū)塊與前一個(gè)區(qū)塊連接，因此稱為區(qū)塊鏈。

不可變性

因?yàn)榻灰讜r(shí)會(huì)計(jì)算 SHA-256 哈希值，所以區(qū)塊鏈?zhǔn)遣豢勺兊?。區(qū)塊鏈的內(nèi)容也被哈希則提供了唯一的標(biāo)識(shí)符。此外，相連的前一個(gè)區(qū)塊的哈希也會(huì)被在區(qū)塊的頭信息中散列并儲(chǔ)存。

這就是為什么試圖篡改區(qū)塊基本上是不可能的，至少以目前的計(jì)算能力是這樣的。下面是一個(gè)展示區(qū)塊屬性的 Java 類的部分定義。

。.. public class Block

注意，注入的泛型類型為 Tx 類型。這允許交易數(shù)據(jù)發(fā)生變化。此外，previousHash 屬性將引用前一個(gè)區(qū)塊的哈希值。稍后將描述 merkleRoot 和 nonce 屬性。

區(qū)塊哈希值

每個(gè)區(qū)塊可以計(jì)算一個(gè)哈希。這實(shí)際上是鏈接在一起的所有區(qū)塊屬性的哈希，包括前一個(gè)區(qū)塊的哈希和由此計(jì)算而得的 SHA-256 哈希。

下面是在 Block.java 類中定義的計(jì)算哈希值的方法。

。.. public void computeHash（） { Gson parser = new Gson（）; // 可能應(yīng)該緩存這個(gè)實(shí)例 String serializedData = parser.toJson（transactions）; setHash（SHA256.generateHash（TImeStamp + index + merkleRoot + serializedData + nonce + previousHash））; } 。..

交易被序列化為 JSON 字符串，因此可以在哈希之前將其追加到塊屬性中。

鏈

區(qū)塊鏈通過(guò)接受交易來(lái)管理區(qū)塊。當(dāng)?shù)竭_(dá)預(yù)定閥值時(shí)，就創(chuàng)建一個(gè)區(qū)塊。下面是 SimpleBlockChain.java 的部分實(shí)現(xiàn)：

。.. public class SimpleBlockchain《T extends Tx》 { public staTIc final int BLOCK_SIZE = 10; public List《Block《T》》 chain = new ArrayList《Block《T》》（）; public SimpleBlockchain（） { // 創(chuàng)建初始區(qū)塊 chain.add（newBlock（））; } 。..

注意，chain 屬性維護(hù)了一個(gè)類型為 Tx 的區(qū)塊列表。此外，無(wú)參構(gòu)造器 會(huì)在創(chuàng)建初始鏈表時(shí)初始化“初始”區(qū)塊。下面是 newBlock（） 方法源碼。

。.. public Block《T》 newBlock（） { int count = chain.size（）; String previousHash = “root”; if （count 》 0） previousHash = blockChainHash（）; Block《T》 block = new Block《T》（）; block.setTImeStamp（System.currentTImeMillis（））; block.setIndex（count）; block.setPreviousHash（previousHash）; return block; } 。..

這個(gè)方法將會(huì)創(chuàng)建一個(gè)新的區(qū)塊實(shí)例，產(chǎn)生合適的值，并分配前一個(gè)塊的哈希（這將是鏈頭的哈希），然后返回這個(gè)實(shí)例。

在將區(qū)塊添加到鏈中之前，可以通過(guò)將新區(qū)塊的上一個(gè)哈希與鏈的最后一個(gè)區(qū)塊（頭）進(jìn)行比較來(lái)驗(yàn)證區(qū)塊，以確保它們匹配。SimpleBlockchain.java 描述了這一過(guò)程。

。..。 public void addAndValidateBlock（Block《T》 block） { // 比較之前的區(qū)塊哈希，如果有效則添加 Block《T》 current = block; for （int i = chain.size（） - 1; i 》= 0; i--） { Block《T》 b = chain.get（i）; if （b.getHash（）.equals（current.getPreviousHash（））） { current = b; } else { throw new RuntimeException（“Block Invalid”）; } } this.chain.add（block）; } 。..

整個(gè)區(qū)塊鏈通過(guò)循環(huán)整個(gè)鏈來(lái)驗(yàn)證，確保區(qū)塊的哈希仍然與前一個(gè)區(qū)塊的哈希匹配。

以下是 SimpleBlockChain.java validate（） 方法的實(shí)現(xiàn)。

。.. public boolean validate（） { String previousHash = null; for （Block《T》 block ： chain） { String currentHash = block.getHash（）; if （！currentHash.equals（previousHash）） { return false; } previousHash = currentHash; } return true; } 。..

你可以看到，試圖以任何方式偽造交易數(shù)據(jù)或任何其他屬性都是非常困難的。而且，隨著鏈的增長(zhǎng)，它會(huì)繼續(xù)變得非常、非常、非常困難，基本上是不可能的 —— 除非量子計(jì)算機(jī)可用！

添加交易

區(qū)塊鏈技術(shù)的另一個(gè)重要技術(shù)點(diǎn)是它是分布式的。區(qū)塊鏈只增的特性很好地幫助了它在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)之間的復(fù)制。節(jié)點(diǎn)通常以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的方式進(jìn)行通信，就像比特幣那樣，但不一定非得是這種方式。其他區(qū)塊鏈實(shí)現(xiàn)使用分散的方法，比如使用基于 HTTP 協(xié)議的 API。這都是題外話了。

交易可以代表任何東西。交易可以包含要執(zhí)行的代碼（例如，智能合約）或存儲(chǔ)和追加有關(guān)某種業(yè)務(wù)交易的信息。

智能合約：旨在以數(shù)字形式來(lái)促進(jìn)、驗(yàn)證或強(qiáng)制執(zhí)行合約談判及履行的計(jì)算機(jī)協(xié)議。

就比特幣而言，交易包含所有者賬戶中的金額和其他賬戶的金額（例如，在賬戶之間轉(zhuǎn)移比特幣金額）。交易中還包括公鑰和賬戶 ID，因此傳輸需要保證安全。但這是比特幣特有的。

交易被添加到網(wǎng)絡(luò)中并被池化；它們不在區(qū)塊中或鏈本身中。

這是區(qū)塊鏈共識(shí)機(jī)制發(fā)揮作用的地方?，F(xiàn)在有許多經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的共識(shí)算法和模式，不過(guò)那已經(jīng)超出了本文的范圍。

挖礦是比特幣區(qū)塊鏈?zhǔn)褂玫墓沧R(shí)機(jī)制。這就是下文討論的共識(shí)類型。共識(shí)機(jī)制收集交易，用它們構(gòu)建一個(gè)區(qū)塊，然后將該區(qū)塊添加到鏈中。區(qū)塊鏈會(huì)在新的交易區(qū)塊被添加之前驗(yàn)證它。

默克爾樹(shù)

交易被哈希并添加到區(qū)塊中。默克爾樹(shù)被用來(lái)計(jì)算默克爾根哈希。默克爾樹(shù)是一種內(nèi)部節(jié)點(diǎn)的值是兩個(gè)子節(jié)點(diǎn)值的哈希值的平衡二叉樹(shù)。而默克爾根，就是默克爾樹(shù)的根節(jié)點(diǎn)。

該樹(shù)用于區(qū)塊交易的驗(yàn)證。如果在交易中更改了一些信息，默克爾根將失效。此外，在分布式中，它們還可以加速傳輸區(qū)塊，因?yàn)樵摻Y(jié)構(gòu)只允許添加和驗(yàn)證整個(gè)交易區(qū)塊所需的單個(gè)交易哈希分支。

以下是 Block.java 類中的方法，它從交易列表中創(chuàng)建了一個(gè)默克爾樹(shù)。

。.. public List《String》 merkleTree（） { ArrayList《String》 tree = new ArrayList《》（）; // 首先， // 將所有交易的哈希作為葉子節(jié)點(diǎn)添加到樹(shù)中。 for （T t ： transactions） { tree.add（t.hash（））; } int levelOffset = 0; // 當(dāng)前處理的列表中的偏移量。 // 當(dāng)前層級(jí)的第一個(gè)節(jié)點(diǎn)在整個(gè)列表中的偏移量。 // 每處理完一層遞增， // 當(dāng)我們到達(dá)根節(jié)點(diǎn)時(shí)（levelSize == 1）停止。 for （int levelSize = transactions.size（）; levelSize 》 1; levelSize = （levelSize + 1） / 2） { // 對(duì)于該層上的每一對(duì)節(jié)點(diǎn)： for （int left = 0; left 《 levelSize; left += 2） { // 在我們沒(méi)有足夠交易的情況下， // 右節(jié)點(diǎn)和左節(jié)點(diǎn) // 可以一樣。 int right = Math.min（left + 1， levelSize - 1）; String tleft = tree.get（levelOffset + left）; String tright = tree.get（levelOffset + right）; tree.add（SHA256.generateHash（tleft + tright））; } // 移動(dòng)至下一層 levelOffset += levelSize; } return tree; } 。..

此方法用于計(jì)算區(qū)塊的默克爾樹(shù)根。伴隨項(xiàng)目有一個(gè)默克爾樹(shù)單元測(cè)試，它試圖將交易添加到一個(gè)區(qū)塊中，并驗(yàn)證默克爾根是否已經(jīng)更改。下面是單元測(cè)試的源碼。

。.. @Test public void merkleTreeTest（） { // 創(chuàng)建鏈，添加交易 SimpleBlockchain《Transaction》 chain1 = new SimpleBlockchain《Transaction》（）; chain1.add（new Transaction（“A”））.add（new Transaction（“B”））.add（new Transaction（“C”））.add（new Transaction（“D”））; // 獲取鏈中的區(qū)塊 Block《Transaction》 block = chain1.getHead（）; System.out.println（“Merkle Hash tree ：” + block.merkleTree（））; //從區(qū)塊中獲取交易 Transaction tx = block.getTransactions（）.get（0）; // 查看區(qū)塊交易是否有效，它們應(yīng)該是有效的 block.transasctionsValid（）; assertTrue（block.transasctionsValid（））; // 更改交易數(shù)據(jù) tx.setValue（“Z”）; //當(dāng)區(qū)塊的默克爾根與計(jì)算出來(lái)的默克爾樹(shù)不匹配時(shí)，區(qū)塊不應(yīng)該是有效。 assertFalse（block.transasctionsValid（））; } 。..

此單元測(cè)試模擬驗(yàn)證交易，然后通過(guò)共識(shí)機(jī)制之外的方法改變區(qū)塊中的交易，例如，如果有人試圖更改交易數(shù)據(jù)。

記住，區(qū)塊鏈?zhǔn)侵辉龅?，?dāng)塊區(qū)鏈數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在節(jié)點(diǎn)之間共享時(shí)，區(qū)塊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（包括默克爾根）被哈希并連接到其他區(qū)塊。所有節(jié)點(diǎn)都可以驗(yàn)證新的區(qū)塊，并且現(xiàn)有的區(qū)塊可以很容易地被證明是有效的。因此，如果一個(gè)挖礦者想要添加一個(gè)偽造的區(qū)塊或者節(jié)點(diǎn)來(lái)調(diào)整原有的交易是不可能的。

挖礦和工作量證明

在比特幣世界中，將交易組合成區(qū)塊，然后提交給鏈中的成員進(jìn)行驗(yàn)證的過(guò)程叫做“挖礦”。

更寬泛地說(shuō)，在區(qū)塊鏈中，這被稱為共識(shí)。現(xiàn)在有好幾種經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的分布式共識(shí)算法，使用哪種機(jī)制取決于你有一個(gè)公共的還是私有的區(qū)塊鏈。我們的白皮書(shū)對(duì)此進(jìn)行了更為深入的描述，但本文的重點(diǎn)是區(qū)塊鏈的原理，因此這個(gè)例子中我們將使用一個(gè)工作量證明（POW）的共識(shí)機(jī)制。

因此，挖掘節(jié)點(diǎn)將偵聽(tīng)由區(qū)塊鏈執(zhí)行的交易，并執(zhí)行一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)任務(wù)。這個(gè)任務(wù)是用一個(gè)不斷改變的一次性隨機(jī)數(shù)（nonce）來(lái)生成帶有一連串以 0 開(kāi)頭的區(qū)塊哈希值，直到一個(gè)預(yù)設(shè)的哈希值被找到。

Java 示例項(xiàng)目有一個(gè) Miner.java 類，其中的 proofOfWork（Block block） 方法實(shí)現(xiàn)如下所示。

private String proofOfWork（Block block） { String nonceKey = block.getNonce（）; long nonce = 0; boolean nonceFound = false; String nonceHash = “”; Gson parser = new Gson（）; String serializedData = parser.toJson（transactionPool）; String message = block.getTimeStamp（） + block.getIndex（） + block.getMerkleRoot（） + serializedData + block.getPreviousHash（）; while （！nonceFound） { nonceHash = SHA256.generateHash（message + nonce）; nonceFound = nonceHash.substring（0， nonceKey.length（））.equals（nonceKey）; nonce++; } return nonceHash; }

同樣，這是簡(jiǎn)化的，但是一旦收到一定量的交易，這個(gè)挖礦算法會(huì)為區(qū)塊計(jì)算一個(gè)工作量證明的哈希。該算法簡(jiǎn)單地循環(huán)并創(chuàng)建塊的SHA-256散列，直到產(chǎn)生前導(dǎo)數(shù)字哈希。

這可能需要很多時(shí)間，這就是為什么特定的GPU微處理器已經(jīng)被實(shí)現(xiàn)來(lái)盡可能快地執(zhí)行和解決這個(gè)問(wèn)題的原因。

單元測(cè)試

你可以在 GitHub上看到結(jié)合了這些概念的 Java 示例的 JUnit 測(cè)試。

運(yùn)行一下，看看這個(gè)簡(jiǎn)單的區(qū)塊鏈?zhǔn)侨绾喂ぷ鞯摹?/p>

另外，如果你是 C# 程序員的話，其實(shí)（我不會(huì)告訴任何人），我們也有用 C# 寫的示例。下面是 C# 區(qū)塊鏈實(shí)現(xiàn)的示例。

最后的思考

希望這篇文章能讓你對(duì)區(qū)塊鏈技術(shù)有一定的了解，并有充足的興趣繼續(xù)研究下去。

本文介紹的所有示例都用于我們的深度區(qū)塊鏈白皮書(shū) （無(wú)需注冊(cè)即可閱讀）。 這些例子在白皮書(shū)中有更詳細(xì)的說(shuō)明。

另外，如果你想在 Java 中看到完整的區(qū)塊鏈實(shí)現(xiàn)，這里有一個(gè)開(kāi)源項(xiàng)目 BitcoinJ 的鏈接。你可以看到上文的概念在實(shí)際生產(chǎn)中一一實(shí)現(xiàn)。

來(lái)源：區(qū)塊網(wǎng)