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,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!
 因为我们是一家从事互联网金融的科技公司,所以我们采用虚拟资产金额作为这篇文章中的示例数据。大家可以先为自己想一个数字,后面我们会用到。
 通过本文,你将可以做到:
    创建自己的区块链
    理解 hash 函数是如何保持区块链的完整性的
    如何创造并添加新的块
    多个节点如何竞争生成块
    通过浏览器来查看整个链
    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-web Framework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:
    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。
    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 newBlock = 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 new Date() 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。

 [block 1] -> [block 2] -> [block 3] -> [block 4] -> [block 5] -> 认可
 [block 1] -> [block 2] -> [block 3] -> [block 4] ->  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 Spark Web Framework,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。POST handler 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:
    使用new GsonBuilder().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。
    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 [email protected](SparkWeb.java:132):[
{
"index": 0,
"timestamp": "2018-02-08 10:58:25",
"vac": 0,
"hash": "7c2d2db62a82ac8aa3d843ff837c604d8bd17800f4c466d472c5df185b8967fa",
"prevHash": ""
}
]
[INFO ] 2018-02-08 10:58:26 [email protected](Log.java:192):Logging initialized @1267ms to org.eclipse.jetty.util.log.Slf4jLog
[INFO ] 2018-02-08 10:58:26 [email protected](EmbeddedJettyServer.java:127):== Spark has ignited ...
[INFO ] 2018-02-08 10:58:26 [email protected](EmbeddedJettyServer.java:128):>> Listening on 0.0.0.0:4567
[INFO ] 2018-02-08 10:58:26 [email protected](Server.java:372):jetty-9.4.4.v20170414
[INFO ] 2018-02-08 10:58:26 [email protected](DefaultSessionIdManager.java:364):DefaultSessionIdManager workerName=node0
[INFO ] 2018-02-08 10:58:26 [email protected](DefaultSessionIdManager.java:369):No SessionScavenger set, using defaults
[INFO ] 2018-02-08 10:58:26 [email protected](HouseKeeper.java:149):Scavenging every 600000ms
[INFO
 ] 2018-02-08 10:58:27 
[email protected](AbstractConnector.java:280):Started 
[email protected]{HTTP/1.1,[http/1.1]}{0.0.0.0:4567}
[INFO ] 2018-02-08 10:58:27 [email protected](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:post http://localhost:4567/  {"vac":15} [send];
或者使用curl命令:curl -X POST -i http://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。
源码:https://github.com/Mignet/blockchain
刚刚我们完成了一个自己的区块链,虽然很简单很简陋,但它具备块生成、散列计算、块校验等基本能力。接下来你就可以继续深入的学习区块链的其他重要知识,比如工作量证明、权益证明这样的共识算法,或者是智能合约、Dapp、侧链等等。当然,最重要的一点,作为去中心化的技术,维护一个在启动时可以连接的对等节点列表,进行peer to peer的通讯也是区块链技术必不可少的核心部分。

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