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本篇内容介绍了“怎么用java代码实现区块链”的有关知识,在实际案例的操作过程中,不少人都会遇到这样的困境,接下来就让小编带领大家学习一下如何处理这些情况吧!希望大家仔细阅读,能够学有所成!
区块链就是一串或者是一系列区块的集合,类似于链表的概念,每个区块都指向于后面一个区块, 然后顺序的连接在一起。那么每个区块中的内容是什么呢?在区块链中的每一个区块都存放了很多 很有价值的信息,主要包括三个部分:自己的数字签名,上一个区块的数字签名,还有一切需要 加密的数据(这些数据在比特币中就相当于是交易的信息,它是加密货币的本质)。每个数字签名 不但证明了自己是特有的一个区块,而且指向了前一个区块的来源,让所有的区块在链条中可以串起来, 而数据就是一些特定的信息,你可以按照业务逻辑来保存业务数据。
这里的hash指的就是数字签名
所以每一个区块不仅包含前一个区块的hash值,同时包含自身的一个hash值,自身的hash值是通过 之前的hash值和数据data通过hash计算出来的。如果前一个区块的数据一旦被篡改了,那么前一个 区块的hash值也会同样发生变化(因为数据也被计算在内),这样也就导致了所有后续的区块中的 hash值。所以计算和比对hash值会让我们检查到当前的区块链是否是有效的,也就避免了数据被恶意 篡改的可能性,因为篡改数据就会改变hash值并破坏整个区块链。
定义区块链的类Block:
import java.util.Date; public class Block { public String hash; public String previousHash; private String data; //our data will be a simple message. private long timeStamp; //as number of milliseconds since 1/1/1970. //Block Constructor. public Block(String data,String previousHash ) { this.data = data; this.previousHash = previousHash; this.timeStamp = new Date().getTime(); } }
正如你可以看到我们的基本块包含String hash,它将保存我们的数字签名。变量 previoushash保存前一个块的hash和String data来保存我们的块数据
熟悉加密算法的朋友们,Java方式可以实现的加密方式有很多,例如BASE、MD、RSA、SHA等等, 我在这里选用了SHA256这种加密方式,SHA(Secure Hash Algorithm)安全散列算法,这种算法 的特点是数据的少量更改会在Hash值中产生不可预知的大量更改,hash值用作表示大量数据的 固定大小的唯一值,而SHA256算法的hash值大小为256位。之所以选用SHA256是因为它的大小正合适, 一方面产生重复hash值的可能性很小,另一方面在区块链实际应用过程中,有可能会产生大量的区块, 而使得信息量很大,那么256位的大小就比较恰当了。
下面我创建了一个StringUtil方法来方便调用SHA256算法
import java.security.MessageDigest; public class StringUtil { //Applies Sha256 to a string and returns the result. public static String applySha256(String input){ try { MessageDigest digest = MessageDigest.getInstance("SHA-256"); //Applies sha256 to our input, byte[] hash = digest.digest(input.getBytes("UTF-8")); StringBuffer hexString = new StringBuffer(); // This will contain hash as hexidecimal for (int i = 0; i < hash.length; i++) { String hex = Integer.toHexString(0xff & hash[i]); if(hex.length() == 1) hexString.append('0'); hexString.append(hex); } return hexString.toString(); } catch(Exception e) { throw new RuntimeException(e); } } }
或许你不完全理解上述代码的含义,但是你只要理解所有的输入调用此方法后均会生成一个独一无二的hash值(数字签名), 而这个hash值在区块链中是非常重要的。
接下来让我们在Block类中应用 方法 applySha256 方法,其主要的目的就是计算hash值,我们计算的hash值 应该包括区块中所有我们不希望被恶意篡改的数据,在我们上面所列的Block类中就一定包括previousHash,data和timeStamp,
public String calculateHash() { String calculatedhash = StringUtil.applySha256( previousHash + Long.toString(timeStamp) + data ); return calculatedhash; }
然后把这个方法加入到Block的构造函数中去
public Block(String data,String previousHash ) { this.data = data; this.previousHash = previousHash; this.timeStamp = new Date().getTime(); this.hash = calculateHash(); //Making sure we do this after we set the other values. }
在主方法中让我们创建一些区块,并把其hash值打印出来,来看看是否一切都在我们的掌控中。
第一个块称为创世块,因为它是头区块,所以我们只需输入“0”作为前一个块的previous hash。
public class NoobChain { public static void main(String[] args) { Block genesisBlock = new Block("Hi im the first block", "0"); System.out.println("Hash for block 1 : " + genesisBlock.hash); Block secondBlock = new Block("Yo im the second block",genesisBlock.hash); System.out.println("Hash for block 2 : " + secondBlock.hash); Block thirdBlock = new Block("Hey im the third block",secondBlock.hash); System.out.println("Hash for block 3 : " + thirdBlock.hash); } }
打印输出结果:
Hash for block 1: f6d1bc5f7b0016eab53ec022db9a5d9e1873ee78513b1c666696e66777fe55fb Hash for block 2: 6936612b3380660840f22ee6cb8b72ffc01dbca5369f305b92018321d883f4a3 Hash for block 3: f3e58f74b5adbd59a7a1fc68c97055d42e94d33f6c322d87b29ab20d3c959b8f
每一个区块都必须要有自己的数据签名即hash值,这个hash值依赖于自身的信息(data)和上 一个区块的数字签名(previousHash),但这个还不是区块链,下面让我们存储区块到数组中, 这里我会引入gson包,目的是可以用json方式查看整个一条区块链结构。
import java.util.ArrayList; import com.google.gson.GsonBuilder; public class NoobChain { public static ArrayList<Block> blockchain = new ArrayList<Block>(); public static void main(String[] args) { //add our blocks to the blockchain ArrayList: blockchain.add(new Block("Hi im the first block", "0")); blockchain.add(new Block("Yo im the second block",blockchain.get(blockchain.size()-1).hash)); blockchain.add(new Block("Hey im the third block",blockchain.get(blockchain.size()-1).hash)); String blockchainJson = new GsonBuilder().setPrettyPrinting().create().toJson(blockchain); System.out.println(blockchainJson); } }
这样的输出结构就更类似于我们所期待的区块链的样子。
在主方法中增加一个isChainValid()方法,目的是循环区块链中的所有区块并且比较hash值, 这个方法用来检查hash值是否是于计算出来的hash值相等,同时previousHash值是否和前一个 区块的hash值相等。或许你会产生如下的疑问,我们就在一个主函数中创建区块链中的区块, 所以不存在被修改的可能性,但是你要注意的是,区块链中的一个核心概念就是去中心化, 每一个区块可能是在网络中的某一个节点中产生的,所以很有可能某个节点把自己节点中的 数据修改了,那么根据上述的理论数据改变会导致整个区块链的破裂,也就是区块链就无效了。
public static Boolean isChainValid() { Block currentBlock; Block previousBlock; //loop through blockchain to check hashes: for(int i=1; i < blockchain.size(); i++) { currentBlock = blockchain.get(i); previousBlock = blockchain.get(i-1); //compare registered hash and calculated hash: if(!currentBlock.hash.equals(currentBlock.calculateHash()) ){ System.out.println("Current Hashes not equal"); return false; } //compare previous hash and registered previous hash if(!previousBlock.hash.equals(currentBlock.previousHash) ) { System.out.println("Previous Hashes not equal"); return false; } } return true; }
任何区块链中区块的一丝一毫改变都会导致这个函数返回false,也就证明了区块链无效了。
在比特币网络中所有的网络节点都分享了它们各自的区块链,然而最长的有效区块链是被 全网所统一承认的,如果有人恶意来篡改之前的数据,然后创建一条更长的区块链并全网 发布呈现在网络中,我们该怎么办呢?这就涉及到了区块链中另外一个重要的概念工作量证明, 这里就不得不提及一下hashcash,这个概念最早来自于Adam Back的一篇论文,主要应用于邮件 过滤和比特币中防止双重支付。
这里我们要求挖矿者做工作量证明,具体的方式是在区块中尝试不同的参数值直到它的hash 值是从一系列的0开始的。让我们添加一个名为nonce的int类型以包含在我们的calculatehash() 方法中,以及需要的mineblock()方法
import java.util.Date; public class Block { public String hash; public String previousHash; private String data; //our data will be a simple message. private long timeStamp; //as number of milliseconds since 1/1/1970. private int nonce; //Block Constructor. public Block(String data,String previousHash ) { this.data = data; this.previousHash = previousHash; this.timeStamp = new Date().getTime(); this.hash = calculateHash(); //Making sure we do this after we set the other values. } //Calculate new hash based on blocks contents public String calculateHash() { String calculatedhash = StringUtil.applySha256( previousHash + Long.toString(timeStamp) + Integer.toString(nonce) + data ); return calculatedhash; } public void mineBlock(int difficulty) { String target = new String(new char[difficulty]).replace('\0', '0'); //Create a string with difficulty * "0" while(!hash.substring( 0, difficulty).equals(target)) { nonce ++; hash = calculateHash(); } System.out.println("Block Mined!!! : " + hash); } }
mineBlock()方法中引入了一个int值称为difficulty难度,低的难度比如1和2,普通的电脑基本都可以马上计算出来, 我的建议是在4-6之间进行测试,普通电脑大概会花费3秒时间,在莱特币中难度大概围绕在442592左右,而在 比特币中每一次挖矿都要求大概在10分钟左右,当然根据所有网络中的计算能力,难度也会不断的进行修改。
我们在NoobChain类 中增加difficulty这个静态变量。
public static int difficulty = 5;
这样我们必须修改主方法中让创建每个新区块时必须触发mineBlock()方法,而isChainValid()方法用来检查每 个区块的hash值是否正确,整个区块链是否是有效的。
import java.util.ArrayList; import com.google.gson.GsonBuilder; public class NoobChain { public static ArrayList<Block> blockchain = new ArrayList<Block>(); public static int difficulty = 5; public static void main(String[] args) { //add our blocks to the blockchain ArrayList: blockchain.add(new Block("Hi im the first block", "0")); System.out.println("Trying to Mine block 1... "); blockchain.get(0).mineBlock(difficulty); blockchain.add(new Block("Yo im the second block",blockchain.get(blockchain.size()-1).hash)); System.out.println("Trying to Mine block 2... "); blockchain.get(1).mineBlock(difficulty); blockchain.add(new Block("Hey im the third block",blockchain.get(blockchain.size()-1).hash)); System.out.println("Trying to Mine block 3... "); blockchain.get(2).mineBlock(difficulty); System.out.println("\nBlockchain is Valid: " + isChainValid()); String blockchainJson = new GsonBuilder().setPrettyPrinting().create().toJson(blockchain); System.out.println("\nThe block chain: "); System.out.println(blockchainJson); } public static Boolean isChainValid() { Block currentBlock; Block previousBlock; String hashTarget = new String(new char[difficulty]).replace('\0', '0'); //loop through blockchain to check hashes: for(int i=1; i < blockchain.size(); i++) { currentBlock = blockchain.get(i); previousBlock = blockchain.get(i-1); //compare registered hash and calculated hash: if(!currentBlock.hash.equals(currentBlock.calculateHash()) ){ System.out.println("Current Hashes not equal"); return false; } //compare previous hash and registered previous hash if(!previousBlock.hash.equals(currentBlock.previousHash) ) { System.out.println("Previous Hashes not equal"); return false; } //check if hash is solved if(!currentBlock.hash.substring( 0, difficulty).equals(hashTarget)) { System.out.println("This block hasn't been mined"); return false; } } return true; } }
打印:
Connected to the target VM, address: '127.0.0.1:61863', transport: 'socket' Trying to Mine block 1... Block Mined!!! : 0000016667d4240e9c30f53015310b0ec6ce99032d7e1d66d670afc509cab082 Trying to Mine block 2... Block Mined!!! : 000002ea55735bea4cac7e358c7b0d8d81e8ca24021f5f85211bf54fd4ac795a Trying to Mine block 3... Block Mined!!! : 000000576987e5e9afbdf19b512b2b7d0c56db0e6ca49b3a7e638177f617994b Blockchain is Valid: true [ { "hash": "0000016667d4240e9c30f53015310b0ec6ce99032d7e1d66d670afc509cab082", "previousHash": "0", "data": "first", "timeStamp": 1520659506042, "nonce": 618139 }, { "hash": "000002ea55735bea4cac7e358c7b0d8d81e8ca24021f5f85211bf54fd4ac795a", "previousHash": "0000016667d4240e9c30f53015310b0ec6ce99032d7e1d66d670afc509cab082", "data": "second", "timeStamp": 1520659508825, "nonce": 1819877 }, { "hash": "000000576987e5e9afbdf19b512b2b7d0c56db0e6ca49b3a7e638177f617994b", "previousHash": "000002ea55735bea4cac7e358c7b0d8d81e8ca24021f5f85211bf54fd4ac795a", "data": "third", "timeStamp": 1520659515910, "nonce": 1404341 } ]
经过测试增加一个新的区块即挖矿必须花费一定时间,大概是3秒左右,你可以提高difficulty难度来看, 它是如何影响数据难题所花费的时间的
如果有人在你的区块链系统中恶意篡改数据:
他们的区块链是无效的。
他们无法创建更长的区块链
网络中诚实的区块链会在长链中更有时间的优势
因为篡改的区块链将无法赶上长链和有效链,除非他们比你网络中所有的节点拥有更大的计算速度, 可能是未来的量子计算机或者是其他什么。
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