區(qū)塊鏈?zhǔn)悄壳白顭衢T的話題，廣大讀者都聽說過比特幣边翁，或許還有智能合約翎承，相信大家都非常想了解這一切是如何工作的。這篇文章就是幫助你使用 Java 語言來實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)單的區(qū)塊鏈符匾，用不到 120 行代碼來揭示區(qū)塊鏈的原理叨咖！
“用不到120行 Java 代碼就能實(shí)現(xiàn)一個(gè)自己的區(qū)塊鏈！” 聽起來不可思議吧啊胶？有什么能比開發(fā)一個(gè)自己的區(qū)塊鏈更好的學(xué)習(xí)實(shí)踐方法呢甸各？那我們就一起來實(shí)踐下！
因?yàn)槲覀兪且患覐氖禄ヂ?lián)網(wǎng)金融的科技公司焰坪，所以我們采用虛擬資產(chǎn)金額作為這篇文章中的示例數(shù)據(jù)痴晦。大家可以先為自己想一個(gè)數(shù)字，后面我們會(huì)用到琳彩。
通過本文，你將可以做到：
1部凑、創(chuàng)建自己的區(qū)塊鏈
2露乏、理解 hash 函數(shù)是如何保持區(qū)塊鏈的完整性的
3、如何創(chuàng)造并添加新的塊
4涂邀、多個(gè)節(jié)點(diǎn)如何競(jìng)爭(zhēng)生成塊
5瘟仿、通過瀏覽器來查看整個(gè)鏈
6、所有其他關(guān)于區(qū)塊鏈的基礎(chǔ)知識(shí)
但是比勉，對(duì)于比如工作量證明算法（PoW）以及權(quán)益證明算法（PoS）這類的共識(shí)算法文章中將不會(huì)涉及劳较。
同時(shí)為了讓你更清楚得查看區(qū)塊鏈以及塊的添加驹止，我們將網(wǎng)絡(luò)交互的過程簡(jiǎn)化了，關(guān)于 P2P 網(wǎng)絡(luò)比如“對(duì)等網(wǎng)絡(luò)”等內(nèi)容將在將來的文章中講解观蜗。
讓我們開始吧臊恋！
設(shè)置
我們假設(shè)你已經(jīng)具備一點(diǎn) Java 語言的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，以及maven項(xiàng)目構(gòu)建經(jīng)驗(yàn)墓捻。在安裝和配置 Java 開發(fā)環(huán)境后之后抖仅，我們新建maven項(xiàng)目，在pom中增加一些依賴：
<dependency>
<groupId>com.sparkjava</groupId>
<artifactId>spark-core</artifactId>
<version>${spark.version}</version>
</dependency>
Spark-web Framework是一個(gè)基于jetty的超小型框架砖第，我們用它來寫http訪問的請(qǐng)求處理撤卢。
<dependency>
<groupId>commons-codec</groupId>
<artifactId>commons-codec</artifactId>
<version>${commons.codec.version}</version>
</dependency>
這個(gè)通用包擁有幾乎所有加解密算法及常規(guī)操作
<dependency>
<groupId>com.google.code.gson</groupId>
<artifactId>gson</artifactId>
<version>2.8.2</version>
</dependency>
Google的json包，當(dāng)然你可以使用你喜歡的其他json包梧兼。
最后放吩，增加log相關(guān)的包
<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 -->
相關(guān)版本屬性設(shè)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>
接下來，我們創(chuàng)建一個(gè) SparkWeb.java文件羽杰。之后我們的大部分工作都圍繞這個(gè)文件渡紫，讓我開始編碼吧！
數(shù)據(jù)模型
我們來定義一個(gè)Block類忽洛，它代表組成區(qū)塊鏈的每一個(gè)塊的數(shù)據(jù)模型：
public class Block {
/**是這個(gè)塊在整個(gè)鏈中的位置*/
private int index;
/**顯而易見就是塊生成時(shí)的時(shí)間戳*/
private String timestamp;
/**虛擬資產(chǎn)腻惠。我們要記錄的數(shù)據(jù)*/
private int vac;
/**是這個(gè)塊通過 SHA256 算法生成的散列值*/
private String hash;
/**指向前一個(gè)塊的 SHA256 散列值*/
private String prevHash;
/** getters and setters**/
}
接著，我們?cè)俣x一個(gè)結(jié)構(gòu)表示整個(gè)鏈欲虚，最簡(jiǎn)單的表示形式就是一個(gè) Block 的 順序表：
ArrayList<Block> blockChain
我們使用散列算法（SHA256）來確定和維護(hù)鏈中塊和塊正確的順序集灌，確保每一個(gè)塊的 PrevHash 值等于前一個(gè)塊中的 Hash 值，這樣就以正確的塊順序構(gòu)建出鏈：
[ index:0| hash:"xxxw"| preHash:""] - [ index:1| hash:"xxxx"| preHash:"xxxw"] - [ index2| hash:"xxxy"| preHash:"xxxx"]
散列和生成塊
我們?yōu)槭裁葱枰⒘懈炊撸恐饕莾蓚€(gè)原因：
1欣喧、在節(jié)省空間的前提下去唯一標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)。散列是用整個(gè)塊的數(shù)據(jù)計(jì)算得出梯找，在我們的例子中唆阿，將整個(gè)塊的數(shù)據(jù)通過 SHA256 計(jì)算成一個(gè)定長不可偽造的字符串。
2锈锤、維持鏈的完整性驯鳖。通過存儲(chǔ)前一個(gè)塊的散列值，我們就能夠確保每個(gè)塊在鏈中的正確順序久免。任何對(duì)數(shù)據(jù)的篡改都將改變散列值浅辙，同時(shí)也就破壞了鏈。以我們從事的醫(yī)療健康領(lǐng)域?yàn)槔掷眩热缬幸粋€(gè)惡意的第三方為了調(diào)整“人壽險(xiǎn)”的價(jià)格记舆，而修改了一個(gè)或若干個(gè)塊中的代表不健康的 VAC 值，那么整個(gè)鏈都變得不可信了呼巴。
我們接著寫一個(gè)函數(shù)泽腮，用來計(jì)算給定的數(shù)據(jù)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);
}
接下來我們就能得到一個(gè)生成塊的函數(shù)：
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;
}
其中御蒲，Index 是從給定的前一塊的 Index 遞增得出，時(shí)間戳是直接通過 new Date() 函數(shù)來獲得的诊赊，Hash 值通過前面的 calculateHash 函數(shù)計(jì)算得出厚满，PrevHash 則是給定的前一個(gè)塊的 Hash 值。
校驗(yàn)塊
搞定了塊的生成豪筝，接下來我們需要有函數(shù)幫我們判斷一個(gè)塊是否有被篡改痰滋。檢查 Index 來看這個(gè)塊是否正確得遞增，檢查 PrevHash 與前一個(gè)塊的 Hash 是否一致续崖，再來通過 calculateHash 檢查當(dāng)前塊的 Hash 值是否正確敲街。通過這幾步我們就能寫出一個(gè)校驗(yàn)函數(shù)：
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;
}
除了校驗(yàn)塊以外，我們還會(huì)遇到一個(gè)問題：兩個(gè)節(jié)點(diǎn)都生成塊并添加到各自的鏈上严望，那我們應(yīng)該以誰為準(zhǔn)多艇？這里的細(xì)節(jié)我們留到下一篇文章，這里先讓我們記住一個(gè)原則：始終選擇最長的鏈像吻。
[block 1] -> [block 2] -> [block 3] -> [block 4] -> [block 5] -> 認(rèn)可
[block 1] -> [block 2] -> [block 3] -> [block 4] -> 丟棄
通常來說峻黍，更長的鏈表示它的數(shù)據(jù)（狀態(tài)）是更加新的，所以我們需要一個(gè)函數(shù)能幫我們將本地的過期的鏈切換成最新的鏈：
public void replaceChain(ArrayList<Block> newBlocks) {
if (newBlocks.size() > blockChain.size()) {
blockChain = newBlocks;
}
}
到這一步拨匆，我們基本就把所有重要的函數(shù)完成了姆涩。接下來，我們需要一個(gè)方便直觀的方式來查看我們的鏈惭每，包括數(shù)據(jù)及狀態(tài)骨饿。通過瀏覽器查看 web 頁面可能是最合適的方式。
Web 服務(wù)
我猜你一定對(duì)傳統(tǒng)的 web 服務(wù)及開發(fā)非常熟悉台腥，所以這部分你肯定一看就會(huì)宏赘。
借助 Spark Web Framework，來完成我們的 web 服務(wù)黎侈，代碼如下：
public static void main(String[] args) {
// port(5678); //默認(rèn)端口是4567察署，你可以設(shè)置別的端口
}
OK，完成峻汉，對(duì)贴汪，你沒看錯(cuò)，就是一個(gè)空的main方法休吠，就可以了扳埂。
接下來我們定義不同 endpoint 以及對(duì)應(yīng)的 handler。例如蛛碌，對(duì)“/”的 GET 請(qǐng)求我們可以查看整個(gè)鏈，對(duì)“/”的 POST 請(qǐng)求可以創(chuàng)建一個(gè)新的塊辖源。
GET 請(qǐng)求的 handler：
get("/", (q, a) ->{return gson.toJson(blockChain)});
為了簡(jiǎn)化蔚携，我們直接以 JSON 格式返回整個(gè)鏈希太，你可以在瀏覽器中訪問 localhost:4567 或者 127.0.0.1:4567 來查看
POST 請(qǐng)求的 handler 稍微有些復(fù)雜，我們先來定義一下 POST 請(qǐng)求的 payload：
public class Message {
private int vac;
//getters and setters
}
再看看 handler 的實(shí)現(xiàn)：
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!";
});
我們的 POST 請(qǐng)求體中可以使用上面定義的 payload酝蜒，比如：
{"vac":7500}
還記得前面我們寫的 generateBlock 這個(gè)函數(shù)嗎誊辉？它接受一個(gè)“前一個(gè)塊”參數(shù)，和一個(gè) VAC 值亡脑。POST handler 接受請(qǐng)求后就能獲得請(qǐng)求體中的 VAC 值堕澄，接著借助生成塊的函數(shù)以及校驗(yàn)塊的函數(shù)就能生成一個(gè)新的塊了！
除此之外霉咨，你也可以：
1蛙紫、使用new GsonBuilder().setPrettyPrinting().create()這個(gè)函數(shù)可以以非常美觀和方便閱讀的方式將數(shù)據(jù)json化打印在控制臺(tái)里，方便調(diào)試途戒。
2坑傅、測(cè)試 POST 請(qǐng)求時(shí)，可以使用 POSTMAN 這個(gè) chrome 插件喷斋，相比 curl它更直觀和方便唁毒。也可以使用RESTClient這個(gè)FireFox插件。
快要大功告成了
接下來星爪，我們把這些關(guān)于區(qū)塊鏈的函數(shù)浆西，web 服務(wù)的函數(shù)“組裝”起來：最重要的是，我們需要產(chǎn)生第一個(gè)塊（創(chuàng)世塊）顽腾，來作為區(qū)塊鏈的頭近零。
//創(chuàng)世塊
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);
這里的 genesisBlock （創(chuàng)世塊）是 main 函數(shù)中最重要的部分，通過它來初始化區(qū)塊鏈崔泵，畢竟要有一個(gè)開始秒赤，第一個(gè)塊的 PrevHash 是空的。
哦耶憎瘸！完成了
讓我們來啟動(dòng)它：
在終端中入篮，我們可以看到 web 服務(wù)器啟動(dòng)的日志信息，并且打印出了創(chuàng)世塊的信息：
[INFO ] 2018-02-08 10:58:26 SparkWeb@(SparkWeb.java:132):[
{
"index": 0,
"timestamp": "2018-02-08 10:58:25",
"vac": 0,
"hash": "7c2d2db62a82ac8aa3d843ff837c604d8bd17800f4c466d472c5df185b8967fa",
"prevHash": ""
}
]
[INFO ] 2018-02-08 10:58:26 Log@(Log.java:192):Logging initialized @1267ms to org.eclipse.jetty.util.log.Slf4jLog
[INFO ] 2018-02-08 10:58:26 EmbeddedJettyServer@(EmbeddedJettyServer.java:127):== Spark has ignited ...
[INFO ] 2018-02-08 10:58:26 EmbeddedJettyServer@(EmbeddedJettyServer.java:128):>> Listening on 0.0.0.0:4567
[INFO ] 2018-02-08 10:58:26 Server@(Server.java:372):jetty-9.4.4.v20170414
[INFO ] 2018-02-08 10:58:26 DefaultSessionIdManager@(DefaultSessionIdManager.java:364):DefaultSessionIdManager workerName=node0
[INFO ] 2018-02-08 10:58:26 DefaultSessionIdManager@(DefaultSessionIdManager.java:369):No SessionScavenger set, using defaults
[INFO ] 2018-02-08 10:58:26 HouseKeeper@(HouseKeeper.java:149):Scavenging every 600000ms
[INFO ] 2018-02-08 10:58:27 AbstractConnector@(AbstractConnector.java:280):Started ServerConnector@4c7573c5{HTTP/1.1,[http/1.1]}{0.0.0.0:4567}
[INFO ] 2018-02-08 10:58:27 Server@(Server.java:444):Started @1669ms
接著我們打開瀏覽器幌甘，訪問 http://localhost:4567 這個(gè)地址潮售，我們可以看到頁面中展示了當(dāng)前整個(gè)區(qū)塊鏈的信息（當(dāng)然，目前只有一個(gè)創(chuàng)世塊）：
{
"index": 0,
"timestamp": "2018-02-08 10:58:25",
"vac": 0,
"hash": "7c2d2db62a82ac8aa3d843ff837c604d8bd17800f4c466d472c5df185b8967fa",
"prevHash": ""
}
接著锅风，我們?cè)偻ㄟ^ RESRClient來發(fā)送一些 POST 請(qǐng)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}'酥诽。
刷新剛才的http://localhost:4567 頁面，現(xiàn)在的鏈中多了一個(gè)塊皱埠，正是我們剛才生成的肮帐，同時(shí)可以看到，塊的順序和散列值都正確。
