Coding ManJava中实现区块链
1. 概述
在本教程中，我们将学习区块链技术的基本概念。我们还将在 Java 中实现一个专注于概念的基本应用程序。 此外，我们将讨论该技术的一些先进概念和实际应用。
2. 什么是区块链？
那么，让我们首先了解区块链到底是什么……
嗯，它的起源可以追溯到中本聪 在 2008 年发表的关于比特币的白皮书。
区块链是一种去中心化的信息分类账。它由通过使用密码学连接的数据块组成。它属于通过公共网络连接的节点网络。当我们稍后尝试构建基本教程时，我们会更好地理解这一点。
我们必须了解一些重要的属性，所以让我们来看看它们：
- 防篡改：首先，作为块一部分的数据是防篡改的。每个块都由加密摘要（通常称为哈希）引用，从而使块防篡改。
- 去中心化：整个区块链在网络**上完全去中心化。**这意味着没有主节点，网络中的每个节点都有相同的副本。
- 透明：参与网络的每个节点都通过与其他节点**的共识来验证并将新块添加到其链中。**因此，每个节点都具有数据的完整可见性。
3. 区块链如何运作？
现在，让我们了解区块链的工作原理。
区块链的基本单位是block。一个区块可以封装多个交易或其他有价值的数据：
3.1. 挖掘一个块
我们用哈希值表示一个块。**生成一个块的哈希值称为“挖掘”**该块。挖掘一个块通常在计算上很昂贵，因为它作为“工作证明”。
块的哈希通常由以下数据组成：
- 首先，一个块的散列由它封装的交易组成
- 哈希还包含块创建的时间戳
- 它还包括一个随机数，即密码学中使用的任意数字
- 最后，当前区块的哈希还包括前一个区块的哈希
网络中的多个节点可以同时竞争开采区块。除了生成哈希值外，节点还必须验证添加到块中的交易是否合法。第一个挖到方块的人赢得比赛！
3.2. 将块添加到区块链中
虽然挖掘一个块的计算成本很高，但验证一个块是否合法相对容易得多。网络中的所有节点都参与验证新开采的区块。
因此，根据节点的共识，将新挖掘的块添加到区块链中。
现在，有几种可用的共识协议可供我们用于验证。网络中的节点使用相同的协议来检测链的恶意分支。因此，即使引入了恶意分支，也会很快被大多数节点拒绝。
4. Java 中的基本区块链
现在我们已经有了足够的上下文来开始用 Java 构建一个基本的应用程序。
我们这里的简单示例将说明我们刚刚看到的基本概念。生产级应用程序需要考虑许多超出本教程范围的因素。但是，我们稍后会涉及一些高级主题。
4.1. 实现一个块
首先，我们需要定义一个简单的 POJO 来保存我们块的数据：
public class Block {
private String hash;
private String previousHash;
private String data;
private long timeStamp;
private int nonce;
public Block(String data, String previousHash, long timeStamp) {
this.data = data;
this.previousHash = previousHash;
this.timeStamp = timeStamp;
this.hash = calculateBlockHash();
}
// standard getters and setters
}
让我们了解一下我们在这里打包了什么：
- 上一个区块的哈希，构建链的重要部分
- 实际数据，任何有价值的信息，如合同
- 该区块创建的时间戳
- 随机数，它是密码学中使用的任意数字
- 最后是这个块的hash，根据其他数据计算出来的
4.2. 计算哈希
现在，我们如何计算一个块的哈希值？我们已经使用了方法calculateBlockHash但还没有看到实现。在我们实现此方法之前，值得花一些时间来了解究竟什么是哈希。
散列是散列函数的输出。散列函数将任意大小的输入数据映射到固定大小的输出数据。散列对输入数据的任何变化都非常敏感，无论变化多么小。
此外，仅从其哈希中获取输入数据是不可能的。这些属性使散列函数在密码学中非常有用。
那么，让我们看看如何在 Java 中生成块的哈希：
public String calculateBlockHash() {
String dataToHash = previousHash
+ Long.toString(timeStamp)
+ Integer.toString(nonce)
+ data;
MessageDigest digest = null;
byte[] bytes = null;
try {
digest = MessageDigest.getInstance("SHA-256");
bytes = digest.digest(dataToHash.getBytes(UTF_8));
} catch (NoSuchAlgorithmException | UnsupportedEncodingException ex) {
logger.log(Level.SEVERE, ex.getMessage());
}
StringBuffer buffer = new StringBuffer();
for (byte b : bytes) {
buffer.append(String.format("%02x", b));
}
return buffer.toString();
}
这里发生了很多事情，让我们详细了解它们：
- 首先，我们连接块的不同部分以从
- 然后，我们从MessageDigest获得一个 SHA-256 哈希函数的实例
- 然后，我们生成输入数据的哈希值，它是一个字节数组
- 最后，我们将字节数组转换为十六进制字符串，哈希通常表示为 32 位十六进制数
4.3. 我们已经开采了区块吗？
到目前为止，一切听起来都简单而优雅，除了我们还没有开采这个区块。那么究竟什么需要挖掘一个区块，这已经吸引了开发人员一段时间了！
好吧，挖掘一个块意味着为该块**解决一个计算复杂的任务。**虽然计算一个块的散列有些微不足道，但找到以五个零开头的散列却不是。更复杂的是找到一个以十个零开头的哈希，我们得到一个大致的想法。
那么，我们究竟该怎么做呢？老实说，解决方案不那么花哨！我们试图以蛮力实现这一目标。我们在这里使用 nonce：
public String mineBlock(int prefix) {
String prefixString = new String(new char[prefix]).replace('\0', '0');
while (!hash.substring(0, prefix).equals(prefixString)) {
nonce++;
hash = calculateBlockHash();
}
return hash;
}
让我们看看我们在这里尝试做的是：
- 我们首先定义我们希望找到的前缀
- 然后我们检查是否找到了解决方案
- 如果不是，我们增加随机数并在循环中计算散列
- 循环一直持续到我们中奖
我们从这里的 nonce 的默认值开始，并将其递增 1。但是在现实世界的应用程序中，有更**复杂的策略来启动和增加随机数。**此外，我们不会在这里验证我们的数据，这通常是一个重要部分。
4.4. 让我们运行示例
现在我们已经定义了我们的块及其功能，我们可以使用它来创建一个简单的区块链。我们将其存储在ArrayList中：
List<Block> blockchain = new ArrayList<>();
int prefix = 4;
String prefixString = new String(new char[prefix]).replace('\0', '0');
此外，我们定义了一个前缀四，这实际上意味着我们希望我们的哈希以四个零开头。
让我们看看如何在这里添加一个块：
@Test
public void givenBlockchain_whenNewBlockAdded_thenSuccess() {
Block newBlock = new Block(
"The is a New Block.",
blockchain.get(blockchain.size() - 1).getHash(),
new Date().getTime());
newBlock.mineBlock(prefix);
assertTrue(newBlock.getHash().substring(0, prefix).equals(prefixString));
blockchain.add(newBlock);
}
4.5. 区块链验证
节点如何验证区块链是否有效？虽然这可能非常复杂，但让我们考虑一个简单的版本：
@Test
public void givenBlockchain_whenValidated_thenSuccess() {
boolean flag = true;
for (int i = 0; i < blockchain.size(); i++) {
String previousHash = i==0 ? "0" : blockchain.get(i - 1).getHash();
flag = blockchain.get(i).getHash().equals(blockchain.get(i).calculateBlockHash())
&& previousHash.equals(blockchain.get(i).getPreviousHash())
&& blockchain.get(i).getHash().substring(0, prefix).equals(prefixString);
if (!flag) break;
}
assertTrue(flag);
}
因此，我们在这里对每个区块进行三项特定检查：
- 当前块的存储哈希实际上是它计算的
- 当前块中存储的前一个块的哈希就是前一个块的哈希
- 当前区块已被开采
5. 一些高级概念
虽然我们的基本示例提出了区块链的基本概念，但它肯定不完整。要将这项技术投入实际应用，还需要考虑其他几个因素。
虽然不可能详细说明所有这些，但让我们来看看一些重要的：
5.1. 交易验证
计算一个块的哈希值并找到所需的哈希值只是挖掘的一部分。一个块由数据组成，通常以多个事务的形式出现。这些必须经过验证，然后才能成为区块的一部分并被开采。
区块链的典型实现对一个块可以包含多少数据设置了限制。它还设置了关于如何验证交易的规则。网络中的多个节点参与验证过程。
5.2. 替代共识协议
我们看到像“工作量证明”这样的共识算法被用来挖掘和验证一个区块。然而，这并不是唯一可用的共识算法。
还有其他几种共识算法可供选择，例如权益证明、权威证明和权重证明。所有这些都有其优点和缺点。使用哪一个取决于我们打算设计的应用程序类型。
5.3. 挖矿奖励
区块链网络通常由自愿节点组成。现在，为什么有人愿意为这个复杂的过程做出贡献并保持其合法性和发展性？
这是因为节点会因验证交易和挖掘区块而获得奖励。这些奖励通常以与应用程序相关的硬币形式出现。但是应用程序可以决定奖励是任何有价值的东西。
5.4. 节点类型
区块链完全依赖其网络来运行。理论上，网络是完全去中心化的，每个节点都是平等的。然而，在实践中，一个网络由多种类型的节点组成。
一个完整的节点有一个完整的交易列表，一个轻节点只有一个部分列表。此外，并非所有节点都参与验证和确认。
5.5. 安全通信
区块链技术的标志之一是其开放性和匿名性。但是它如何为内部进行的交易提供安全性呢？这是基于密码学和公钥基础设施的。
交易的发起者使用他们的私钥来保护它并将其附加到接收者的公钥上。节点可以使用参与者的公钥来验证交易。
六、区块链的实际应用
因此，区块链似乎是一项令人兴奋的技术，但它也必须证明是有用的。这项技术已经存在了一段时间，而且——不用说——它已被证明在许多领域都具有颠覆性。
它在许多其他领域的应用正在积极寻求。让我们了解最流行的应用程序：
- 货币：由于比特币的成功，这是迄今为止最古老和最广为人知的区块链用途。它们在没有任何中央权威或政府干预的情况下为全球人民提供安全且无摩擦的资金。
- 身份：数字身份正在迅速成为当今世界的常态。然而，这被安全问题和篡改所困扰。区块链在以完全安全和防篡改的身份彻底改变这一领域是不可避免的。
- 医疗保健：医疗保健行业充满数据，主要由中央当局处理。这会降低处理此类数据的透明度、安全性和效率。区块链技术可以提供一个没有任何第三方的系统来提供急需的信任。
- 政府：这可能是一个很容易被区块链技术破坏的领域。政府通常是几个公民服务的中心，这些服务往往充斥着低效率和腐败。区块链可以帮助建立更好的政府与公民关系。
7. 交易工具
虽然我们在这里的基本实现有助于引出概念，但从头开始在区块链上开发产品是不切实际的。值得庆幸的是，这个领域现在已经成熟，我们确实有一些非常有用的工具可以开始。
让我们来看看在这个领域工作的一些流行工具：
- Solidity ：Solidity 是一种静态类型和面向对象的编程语言，专为编写智能合约而设计。它可用于在以太坊等各种区块链平台上编写智能合约 。
- Remix IDE ：Remix 是一个强大的开源工具，用于在 Solidity 中编写智能合约。这使用户能够直接从浏览器编写智能合约。
- Truffle Suite ：Truffle 提供了一系列工具来帮助开发人员开始开发分布式应用程序。这包括松露、甘纳许和细雨。
- Ethlint/Solium ：Solium 允许开发人员确保他们在 Solidity 上编写的智能合约没有样式和安全问题。Solium 也有助于解决这些问题。
- Parity ：Parity 有助于在Etherium 上**建立智能合约的开发环境。**它提供了一种与区块链交互的快速且安全的方式。