區塊鏈是目前最熱門的話題，廣大讀者都聽說過比特幣，或許還有智能合約，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 語言來實現一個簡單的區塊鏈，用不到 120 行代碼來揭示區塊鏈的原理！
“用不到120行 Java 代碼就能實現一個自己的區塊鏈！” 聽起來不可思議吧？有什麼能比開發一個自己的區塊鏈更好的學習實踐方法呢？那我們就一起來實踐下！
因爲我們是一家從事互聯網金融的科技公司，所以我們採用虛擬資產金額作爲這篇文章中的示例數據。大家可以先爲自己想一個數字，後面我們會用到。
通過本文，你將可以做到：
- 創建自己的區塊鏈
- 理解 hash 函數是如何保持區塊鏈的完整性的
- 如何創造並添加新的塊
- 多個節點如何競爭生成塊
- 通過瀏覽器來查看整個鏈
- 所有其他關於區塊鏈的基礎知識
但是，對於比如工作量證明算法（PoW）以及權益證明算法（PoS）這類的共識算法文章中將不會涉及。同時爲了讓你更清楚得查看區塊鏈以及塊的添加，我們將網絡交互的過程簡化了，關於 P2P 網絡比如“對等網絡”等內容將在將來的文章中講解。
讓我們開始吧！
設置
我們假設你已經具備一點 Java 語言的開發經驗，以及maven項目構建經驗。在安裝和配置 Java 開發環境後之後，我們新建maven項目，在pom中增加一些依賴：
<!-- 超小型web框架 --> <dependency> <groupId>com.sparkjava</groupId> <artifactId>spark-core</artifactId> <version>${spark.version}</version> </dependency> |
Spark-web Framework是一個基於jetty的超小型框架，我們用它來寫http訪問的請求處理。
<dependency> <groupId>commons-codec</groupId> <artifactId>commons-codec</artifactId> <version>${commons.codec.version}</version> </dependency> |
這個通用包擁有幾乎所有加解密算法及常規操作
<dependency> <groupId>com.google.code.gson</groupId> <artifactId>gson</artifactId> <version>2.8.2</version> </dependency> |
Google的json包，當然你可以使用你喜歡的其他json包。
最後，增加log相關的包
<!-- 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 --> |
相關版本屬性設置
<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，我們創建一個 SparkWeb.java文件。之後我們的大部分工作都圍繞這個文件，讓我開始編碼吧！
數據模型
我們來定義一個Block類，它代表組成區塊鏈的每一個塊的數據模型：
public class Block { /**是這個塊在整個鏈中的位置*/ private int index; /**顯而易見就是塊生成時的時間戳*/ private String timestamp; /**虛擬資產。我們要記錄的數據*/ private int vac; /**是這個塊通過 SHA256 算法生成的散列值*/ private String hash; /**指向前一個塊的 SHA256 散列值*/ private String prevHash;
/** getters and setters**/ } |
接着，我們再定義一個結構表示整個鏈，最簡單的表示形式就是一個 Block 的 順序表：
ArrayList<Block> blockChain |
我們使用散列算法（SHA256）來確定和維護鏈中塊和塊正確的順序，確保每一個塊的 PrevHash 值等於前一個塊中的 Hash 值，這樣就以正確的塊順序構建出鏈：
[ index:0| hash:"xxxw"| preHash:""] - [ index:1| hash:"xxxx"| preHash:"xxxw"] - [ index2| hash:"xxxy"| preHash:"xxxx"]
散列和生成塊
我們爲什麼需要散列？主要是兩個原因：
- 在節省空間的前提下去唯一標識數據。散列是用整個塊的數據計算得出，在我們的例子中，將整個塊的數據通過 SHA256 計算成一個定長不可僞造的字符串。
- 維持鏈的完整性。通過存儲前一個塊的散列值，我們就能夠確保每個塊在鏈中的正確順序。任何對數據的篡改都將改變散列值，同時也就破壞了鏈。以我們從事的醫療健康領域爲例，比如有一個惡意的第三方爲了調整“人壽險”的價格，而修改了一個或若干個塊中的代表不健康的 VAC 值，那麼整個鏈都變得不可信了。
我們接着寫一個函數，用來計算給定的數據的 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生成塊的函數：
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 是從給定的前一塊的 Index 遞增得出，時間戳是直接通過 new Date() 函數來獲得的，Hash 值通過前面的 calculateHash 函數計算得出，PrevHash 則是給定的前一個塊的 Hash 值。
校驗塊
搞定了塊的生成，接下來我們需要有函數幫我們判斷一個塊是否有被篡改。檢查 Index 來看這個塊是否正確得遞增，檢查 PrevHash 與前一個塊的 Hash 是否一致，再來通過 calculateHash 檢查當前塊的 Hash 值是否正確。通過這幾步我們就能寫出一個校驗函數：
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; } |
除了校驗塊以外，我們還會遇到一個問題：兩個節點都生成塊並添加到各自的鏈上，那我們應該以誰爲準？這裏的細節我們留到下一篇文章，這裏先讓我們記住一個原則：始終選擇最長的鏈。
[block 1] -> [block 2] -> [block 3] -> [block 4] -> [block 5] -> 認可
[block 1] -> [block 2] -> [block 3] -> [block 4] -> 丟棄
通常來說，更長的鏈表示它的數據（狀態）是更加新的，所以我們需要一個函數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，我們基本就把所有重要的函數完成了。接下來，我們需要一個方便直觀的方式來查看我們的鏈，包括數據及狀態。通過瀏覽器查看 web 頁面可能是最合適的方式。
Web 服務
我猜你一定對傳統的 web 服務及開發非常熟悉，所以這部分你肯定一看就會。
藉助 Spark Web Framework，來完成我們的 web 服務，代碼如下：
public static void main(String[] args) { // port(5678); //默認端口是4567，你可以設置別的端口 } |
OK，完成，對，你沒看錯，就是一個空的main方法，就可以了。
接下來我們定義不同 endpoint 以及對應的 handler。例如，對“/”的 GET 請求我們可以查看整個鏈，對“/”的 POST 請求可以創建一個新的塊。
GET 請求的 handler：
get("/", (q, a) ->{return gson.toJson(blockChain)}); |
爲了簡化，我們直接以 JSON 格式返回整個鏈，你可以在瀏覽器中訪問 localhost:4567 或者 127.0.0.1:4567 來查看
POST 請求的 handler 稍微有些複雜，我們先來定義一下 POST 請求的 payload：
public class Message { private int vac; //getters and setters } |
再看看 handler 的實現：
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 請求體中可以使用上面定義的 payload，比如：
{"vac":7500}
還記得前面我們寫的 generateBlock 這個函數嗎？它接受一個“前一個塊”參數，和一個 VAC 值。POST handler 接受請求後就能獲得請求體中的 VAC 值，接着藉助生成塊的函數以及校驗塊的函數就能生成一個新的塊了！
除此之外，你也可以：
- 使用new GsonBuilder().setPrettyPrinting().create()這個函數可以以非常美觀和方便閱讀的方式將數據json化打印在控制檯裏，方便調試。
- 測試 POST 請求時，可以使用 POSTMAN 這個 chrome 插件，相比 curl它更直觀和方便。也可以使用RESTClient這個FireFox插件。
快要大功告成了
接下來，我們把這些關於區塊鏈的函數，web 服務的函數“組裝”起來：最重要的是，我們需要產生第一個塊（創世塊），來作爲區塊鏈的頭。
//創世塊 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); |
這裏的 genesisBlock （創世塊）是 main 函數中最重要的部分，通過它來初始化區塊鏈，畢竟要有一個開始，第一個塊的 PrevHash 是空的。
哦耶！完成了
讓我們來啓動它：
在終端中，我們可以看到 web 服務器啓動的日誌信息，並且打印出了創世塊的信息：
[INFO ] 2018-02-08 10:58:26 SparkWeb@(SparkWeb.java:132):[ |
接着我們打開瀏覽器，訪問 http://localhost:4567 這個地址，我們可以看到頁面中展示了當前整個區塊鏈的信息（當然，目前只有一個創世塊）：
| { "index": 0, "timestamp": "2018-02-08 10:58:25", "vac": 0, "hash": "7c2d2db62a82ac8aa3d843ff837c604d8bd17800f4c466d472c5df185b8967fa", "prevHash": "" } |
接着，我們再通過 RESRClient來發送一些 POST 請求：post http://localhost:4567/ {"vac":15} [send];
或者使用curl命令：curl -X POST -i http://localhost:4567/ --data '{"vac":125}'。
刷新剛纔的http://localhost:4567 頁面，現在的鏈中多了一個塊，正是我們剛纔生成的，同時可以看到，塊的順序和散列值都正確。
源碼:https://github.com/Mignet/blockchain
下一步
剛剛我們完成了一個自己的區塊鏈，雖然很簡單很簡陋，但它具備塊生成、散列計算、塊校驗等基本能力。接下來你就可以繼續深入的學習區塊鏈的其他重要知識，比如工作量證明、權益證明這樣的共識算法，或者是智能合約、Dapp、側鏈等等。當然，最重要的一點，作爲去中心化的技術，維護一個在啓動時可以連接的對等節點列表，進行peer to peer的通訊也是區塊鏈技術必不可少的核心部分。