搭建你的第一个区块链网络(二):Pow与本地化
前一篇文章: 搭建你的第一个区块链网络(一)
共识与本地化
POW共识
共识机制也是区块链系统中不可缺少的一部分，在比特币网络中，使用的是POW共识，概念相对比较简单，所以我们在该项目中使用POW共识机制(后期如果可以的话修改为可插拔的共识机制)。
POW原理
POW原理是通过解决一个数学难题，其实就是通过计算一个哈希值，如果计算出来的哈希值的前缀有足够多个"0"，就说明成功解决了该数学难题。通常哈希值中"0"的个数越多难度越大。难度值是通过之前生成的区块所消耗的时间动态调整的。而生成哈希值的原数据实际上就是区块信息，另外再加一个nonce属性，用于调整难度值。
在比特币中，平均每10分钟产出一个区块，如果新区块的产出只消耗了9分钟，那么难度值将会增加。如果算力不发生变化的话，下一次产出区块将会消耗更多的时间。同理，如果新区块的产出消耗了11分钟，那么难度值则会相应地降低。动态调整难度值维持区块产出时间平均为10分钟。实际上比特币中的POW更加复杂，难度值的调整是通过过去的2016个区块产出的时间与20160分钟进行比较的。
在这里，不设置那么麻烦，难度值不再动态调整，暂时将哈希值中"0"的数量固定保证每次生成区块的难度是相同的。同时也要设置一个最大难度值，防止无限循环计算。
#Pow.java
public class Pow {
//固定的难度值
private static final String DIFFICULT = "0000";
//最大难度值 防止计算难度值变为无限循环
private static final int MAX_VALUE = Integer.MAX_VALUE;
public static int calc(Block block){
//nonce从0开始
int nonce = 0;
//如果nonce小于最大难度值
while(nonce<MAX_VALUE){
//计算哈希值
if(Util.getSHA256(block.toString()+nonce)
//如果计算出的哈希值前缀满足条件，退出循环
.startsWith(DIFFICULT))
break;
//不满足条件，nonce+1，重新计算哈希值
nonce++;
}
return nonce;
}
}
更新属性
一个简单的POW共识完成了，接下来需要更新一下区块的属性，添加nonce属性:
#Block.java
//产出该区块的难度
public int nonce;
还要修改生成区块的方法，每次生成区块时需要进行POW共识计算:
public Block CrtGenesisBlock(){
Block block = new Block(1,"Genesis Block","00000000000000000");
block.setNonce(
Pow.calc(block));
//计算区块哈希值
String hash = Util.getSHA256(block.getBlkNum()+block.getData()+block.getPrevBlockHash()+block.getPrevBlockHash()+block.getNonce());
...
}
public Block addBlock(String data){
...
Block block = new Block(
num+1,data, this.block.curBlockHash);
//每次将区块添加进区块链之前需要计算难度值
block.setNonce(
Pow.calc(block));
//计算区块哈希值
String hash = Util.getSHA256(block.getBlkNum()+block.getData()+block.getPrevBlockHash()+block.getPrevBlockHash()+block.getNonce());
...
}
测试POW共识
OK了，还是之前的测试方法，测试一下:
#Test.java
public class Test {
public static void main(String[] args){
System.out.println(Blockchain.getInstance().CrtGenesisBlock().toString());
System.out.println(Blockchain.getInstance().addBlock("Block 2").toString());
}
}
可以看到区块号为2的区块nonce属性有了具体的值，并且每次测试curBlockHash的值前缀都是以"0000"开头的。
{"blkNum":1,"curBlockHash":"000002278a13f6caefda04c77d35e14128aafbc287578b86e1f2079c0e6747b1","data":"Genesis Block","nonce":37846,"prevBlockHash":"00000000000000000","timeStamp":"2020-05-17 10:49:48"}
{"blkNum":2,"curBlockHash":"00002654109d8eb6092da686d66e70cdb1e26cf4a87e453e3d8e2ff7508f11f9","data":"Block 2","nonce":15318,"prevBlockHash":"000002278a13f6caefda04c77d35e14128aafbc287578b86e1f2079c0e6747b1","timeStamp":"2020-05-17 10:49:48"}
本地化
此外，每次重新启动程序都需要从创世区块重新开始生成，所以需要将区块信息序列化到本地。保证每次启动程序都可以从本地读取数据不再重新生成创世区块。
方便起见，暂时不使用数据库存储区块信息，只简单序列化到本地文件中来。
首先需要修改区块的信息，继承Serializable接口才能进行序列化。
#Block.java
public class Block implements Serializable{
private static final long serialVersionUID = 1L;
...
}
序列化与反序列化
接下来是序列化与反序列化的方法,在这里我们将每一个区块都保存为一个名字为区块号，后缀为.block的文件，同样从本地反序列化到程序中也只需要通过区块号来取。
#Storage.java
public final class Storage {
//序列化区块信息
public static void Serialize(Block block) throws IOException {
File file = new File("src/main/resources/blocks/"+block.getBlkNum()+".block");
if(!file.exists()) file.createNewFile();
FileOutputStream fos = new FileOutputStream(file);
ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(fos);
oos.writeObject(block);
oos.close();
fos.close();
}
/**
* 反序列化区块
*/
public static Block Deserialize(int num) throws FileNotFoundException, IOException, ClassNotFoundException {
File file = new File("src/main/resources/blocks/"+num+".block");
if(!file.exists()) return null;
ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(new FileInputStream(file));
Block block = (Block)ois.readObject();
ois.close();
return block;
}
}
然后是区块链的属性，之前我们使用ArrayList存储区块信息，而现在我们直接将区块序列化到本地，需要哪一个区块直接到本地来取，因此不再需要ArrayList保存区块数据。对于区块链来讲，仅仅需要记录最新区块数据即可。
public final class Blockchain {
...
//Arraylist<Block> block修改为 Block block;
public Block block;
...
public static Blockchain getInstance() {
if (BC == null) {
synchronized (Blockchain.class) {
if (BC == null) {
BC = new Blockchain();
//删除创建ArrayList
}
}
}
return BC;
}
public Block CrtGenesisBlock() throws IOException {
...
block.setCurBlockHash(hash);
//序列化
Storage.Serialize(block);
this.block=block;
return this.block;
}
public Block addBlock(String data) throws IOException {
int num = this.block.getBlkNum();
...
block.setCurBlockHash(hash);
//序列化
Storage.Serialize(block);
this.block = block;
return this.block;
}
}
测试一下:
public class Test {
public static void main(String[] args) throws IOException {
System.out.println(Blockchain.getInstance().CrtGenesisBlock().toString());
System.out.println(Blockchain.getInstance().addBlock("Block 2").toString());
}
}
存储是没有问题的，在resources/blocks/文件下成功生成了1.block,2.block两个文件。
反序列化
但是还没有完成从本地取数据的操作，接下来的流程是这样子的:
启动程序后，首先实例化Blockchain的实例，然后从本地读取数据，如果本地存在区块数据，直接反序列化区块号最大的区块，如果本地没有数据，则进行创始区块的创建。
#Blockchain.java
public Block getLastBlock() throws FileNotFoundException, ClassNotFoundException, IOException {
File file = new File("src/main/resources/blocks");
String[] files = file.list();
if(files.length!=0){
int MaxFileNum = 1;
//遍历存储区块数据的文件夹，查找区块号最大的区块
for(String s:files){
int num = Integer.valueOf(s.substring(0, 1));
if(num>=MaxFileNum)
MaxFileNum = num;
}
//反序列化最大区块号的区块
return Storage.Deserialize(MaxFileNum);
}
return null;
}
然后是Blockchain的实例方法，在获取实例时候判断是否需要创建创世区块:
#Blockchain.java
public static Blockchain getInstance() throws FileNotFoundException, ClassNotFoundException, IOException {
if (BC == null) {
synchronized (Blockchain.class) {
if (BC == null) {
BC = new Blockchain();
}
}
}
//获取到Blockchain实例后，判断是否存在区块
if(BC.block==null){
//如果不存在则尝试获取本地区块号最大的区块
//如果存在则直接赋值到Blockchain的属性然后返回
Block block = BC.getLastBlock();
BC.block = block;
if(block==null){
//如果不存在则生成创世区块
BC.CrtGenesisBlock();
}
}
return BC;
}
//因此创建创世区块的方法可以修改为私有的
private Block CrtGenesisBlock() throws IOException {
...
}
接下来可以测试了:
public class Test {
public static void main(String[] args) throws IOException, ClassNotFoundException {
System.out.println(Blockchain.getInstance().block.toString());
System.out.println(Blockchain.getInstance().addBlock("Block 2").toString());
}
}
测试多次可以发现区块并没有重新从创世区块开始生成，而是根据先前生成的区块号继续增长。
{"blkNum":1,"curBlockHash":"000002278a13f6caefda04c77d35e14128aafbc287578b86e1f2079c0e6747b1","data":"Genesis Block","nonce":37846,"prevBlockHash":"00000000000000000","timeStamp":"2020-05-17 11:51:37"}
{"blkNum":2,"curBlockHash":"00002654109d8eb6092da686d66e70cdb1e26cf4a87e453e3d8e2ff7508f11f9","data":"Block 2","nonce":15318,"prevBlockHash":"000002278a13f6caefda04c77d35e14128aafbc287578b86e1f2079c0e6747b1","timeStamp":"2020-05-17 11:51:37"}
Current Last Block num is:2
{"blkNum":2,"curBlockHash":"00002654109d8eb6092da686d66e70cdb1e26cf4a87e453e3d8e2ff7508f11f9","data":"Block 2","nonce":15318,"prevBlockHash":"000002278a13f6caefda04c77d35e14128aafbc287578b86e1f2079c0e6747b1","timeStamp":"2020-05-17 11:51:37"}
{"blkNum":3,"curBlockHash":"0000d350c1199eb51c2d43194653f5b44444665e40373d5883edd3567c60cd68","data":"Block 2","nonce":23695,"prevBlockHash":"00002654109d8eb6092da686d66e70cdb1e26cf4a87e453e3d8e2ff7508f11f9","timeStamp":"2020-05-17 11:51:44"}
大致工作已完成，接下来添加几个额外的方法:
#Block.java
/**
* 是否存在前一个区块
*/
public boolean hasPrevBlock(){
if(this.getBlkNum()!=1){
return true;
}
return false;
}
@Transient
@JsonIgnore
/**
* 获取前一个区块
*/
public Block getPrevBlock() throws FileNotFoundException, ClassNotFoundException, IOException {
if(this.hasPrevBlock())
return Storage.Deserialize(this.getBlkNum()-1);
return null;
}
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