搭建你的第一个区块链网络(三):钱包与客户端
前一篇文章: 搭建你的第一个区块链网络(二)
钱包与CLI
钱包
对于区块链系统来说，密码学是必不可少的，因此加密与解密也是核心操作，而密钥通常使用钱包进行保存，这一节我们完成钱包的设计。这一节比较简单。
在比特币网络中，使用的是非对称加密算法，密钥是通过椭圆曲线算法实现的，而本文中，暂且使用RSA算法进行实现，后期再对椭圆曲线算法进行添加。
首先是RSA算法的工具类，参考这里.整理成以下方法:
#RSAKey.java
@Getter
@Setter
public final class RSAKey {
//非对称密钥算法
public static final String KEY_ALGORITHM = "RSA";
/**
* 密钥长度必须是64的倍数，在512到65536位之间
*/
private static final int KEY_SIZE = 512;
//公钥
private static final String PUBLIC_KEY = "RSAPublicKey";
//私钥
private static final String PRIVATE_KEY = "RSAPrivateKey";
private byte[] privateKey;
private byte[] publicKey;
private String address;
private RSAKey() {
}
/**
* 生成密钥
*/
public static RSAKey GenerateKeyPair() throws Exception {
RSAKey key = new RSAKey();
Map<String, Object> keyPair = key.initKey();
Key pk = (Key) keyPair.get(PRIVATE_KEY);
key.setPrivateKey(pk.getEncoded());
pk = (Key)keyPair.get(PUBLIC_KEY);
key.setPublicKey(pk.getEncoded());
return key;
}
private Map<String, Object> initKey() throws Exception {
//实例化密钥生成器
KeyPairGenerator keyPairGenerator = KeyPairGenerator.getInstance(KEY_ALGORITHM);
//初始化密钥生成器
keyPairGenerator.initialize(KEY_SIZE);
//生成密钥对
KeyPair keyPair = keyPairGenerator.generateKeyPair();
//公钥
RSAPublicKey publicKey = (RSAPublicKey) keyPair.getPublic();
//私钥
RSAPrivateKey privateKey = (RSAPrivateKey) keyPair.getPrivate();
//将密钥存储在map中
Map<String, Object> keyMap = new HashMap<String, Object>();
keyMap.put(PUBLIC_KEY, publicKey);
keyMap.put(PRIVATE_KEY, privateKey);
return keyMap;
}
/**
* 私钥加密
*
* @param data 待加密数据
* @param key 密钥
* @return byte[] 加密数据
*/
public static byte[] encryptByPrivateKey(byte[] data,byte[] pk) throws Exception {
//取得私钥
PKCS8EncodedKeySpec pkcs8KeySpec = new PKCS8EncodedKeySpec(pk);
KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance(KEY_ALGORITHM);
//生成私钥
PrivateKey privateKey = keyFactory.generatePrivate(pkcs8KeySpec);
//数据加密
Cipher cipher = Cipher.getInstance(keyFactory.getAlgorithm());
cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, privateKey);
return cipher.doFinal(data);
}
/**
* 公钥解密
*
* @param data 待解密数据
* @param key 密钥
* @return byte[] 解密数据
*/
public static byte[] decryptByPublicKey(byte[] data,byte[] pk) throws Exception {
//实例化密钥工厂
KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance(KEY_ALGORITHM);
//初始化公钥
//密钥材料转换
X509EncodedKeySpec x509KeySpec = new X509EncodedKeySpec(pk);
//产生公钥
PublicKey pubKey = keyFactory.generatePublic(x509KeySpec);
//数据解密
Cipher cipher = Cipher.getInstance(keyFactory.getAlgorithm());
cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, pubKey);
return cipher.doFinal(data);
}
}
密钥
接下来创建钱包实例，对于用户的钱包，需要一下属性:
- 私钥： 用于加密数据，签名数据。
- 公钥： 用于解密数据，验证签名。
- 地址： 钱包的地址。
目前，暂时将钱包设置为单例模式，同时一个钱包中只含有一对密钥对:
#Wallet.java
@Getter
@Setter
public class Wallet {
//单例模式的Wallet
private static Wallet wallet;
//私钥
private byte[] privateKey;
//公钥
private byte[] publicKey;
//地址
private String address;
private Wallet() throws Exception {
RSAKey key = RSAKey.GenerateKeyPair();
this.privateKey = key.getPrivateKey();
this.publicKey = key.getPublicKey();
this.address = generateAddress();
}
public static Wallet getInstance() throws Exception {
if (wallet == null) {
synchronized (Wallet.class) {
if (wallet == null) {
wallet = new Wallet();
}
}
}
return wallet;
}
}
接下来是加密与解密操作，只需要包装一下工具类即可:
#Wallet.java
/**
* 加密数据
*/
public String encrypt(byte[] data) throws Exception {
byte[] encry = RSAKey.encryptByPrivateKey(data,this.privateKey);
return Hex.encodeHexString(encry);
}
/**
* 解密数据
*/
public byte[] decrypt(String encry) throws DecoderException, Exception {
return RSAKey.decryptByPublicKey(Hex.decodeHex(encry),this.publicKey);
}
还有重要的签名与验证签名的操作:
签名的本质实际上就是哈希操作+加密操作。
- 对数据原文进行哈希: 哈希(数据原文)
- 使用私钥对哈希值进行加密: 加密(哈希(数据原文))
- 将数据原文与签名数据进行组合
数字签名的组成部分为：数据原文+加密(哈希(数据原文))
#Wallet.java
/**
* 签名数据
*/
public String sign(byte[] data) throws Exception {
//原文首先进行哈希
String hash = Util.getSHA256(
Hex.encodeHexString(data));
//哈希值进行加密
String sign = encrypt(
Hex.decodeHex(hash));
//原文+encry(hash(原文))
return Hex.encodeHexString(data)+"%%%"+sign;
}
在这里，我们简单使用%%%将两部分数据进行组合。
至于数字签名的验证则可以分析了：
- 首先将数字签名拆分为数据原文 加密(哈希(数据原文))
- 将数据原文进行哈希操作: 哈希(数据原文)
- 使用公钥解密签名信息： 解密->加密(哈希(数据原文))->哈希(数据原文)
- 对两部分哈希值进行对比，相同则说明数字签名是有效的。
#Wallet.java
/**
* 验证签名
*/
public boolean verify(String data) throws DecoderException, Exception {
String[] str = data.split("%%%");
// 原文 encry(hash(原文))
if(str.length!=2){
return false;
}
String hash = Util.getSHA256(str[0]);
String hash2 = Hex.encodeHexString(this.decrypt(str[1]));
if(hash.equals(hash2)){
return true;
}
return false;
}
地址
对于钱包地址，比特币是有自己的一套生成地址的算法，步骤相对比较繁杂，在本文中，简单使用哈希操作模拟地址的生成。
#Wallet.java
/**
* 根据密钥生成地址
*/
private String generateAddress() throws NoSuchAlgorithmException {
String pk = Hex.encodeHexString(this.publicKey);
this.address = "R" + Util.getSHA256(pk) + Util.getSHA256(Util.getSHA256(pk));
return this.address;
}
/**
* 获取地址
* @return
* @throws NoSuchAlgorithmException
*/
public String getAddress() throws NoSuchAlgorithmException {
return this.generateAddress();
}
所有的一切都已经完成，测试一下:
#KeyTest.java
public class KeyTest {
public static void main(String[] args) throws DecoderException, Exception {
Wallet wallet = Wallet.getInstance();
System.out.println("private Key: "+Hex.encodeHexString(wallet.getPrivateKey()));
System.out.println();
System.out.println("public Key: "+Hex.encodeHexString(wallet.getPublicKey()));
System.out.println(
wallet.verify(
wallet.sign("test".getBytes())));
System.out.println("address: "+wallet.getAddress());
}
}
看起来一切都没有问题:
private Key: 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
public Key: 305c300d06092a864886f70d0101010500034b003048024100b204075a20a86a8773681a2bee6574a68d1028516577c80f22d1f693dbc1c70cca59d95a74b8c7a55c3e02801ebdb025272f1df18ca862701b640a6bc444b7e50203010001
true
address: R92439f4d205def0794e23f626cf61013d04ccf1fdf9106ff78ca3ec30f7bc7cad4cdc346ee44501831c67085a54463e4ffd774654a2bd9328a382652de663f1a
Cli
到此为止我们开发了区块链系统的部分功能，距离完成还有很长一段距离。不过，先完成一个比较小的功能好了，即与用户进行交互的操作。之前考虑过使用curl，不过看到了apache的cli工具，所以决定使用这个了。其实就是一种命令行解析工具，根据输入的命令解析后执行对应的功能。参考这里
所以需要在pom.xml添加一下字段导包:
<dependency>
<groupId>commons-cli</groupId>
<artifactId>commons-cli</artifactId>
<version>1.2</version>
</dependency>
整个步骤分为三个阶段: 定义，解析，询问。
定义
首先需要定义一些参数信息，作为应用程序的接口。
//创建Options对象
Options options = new Options();
//添加-h参数。 h为参数简单形式，help为参数复杂形式，false定义该参数不需要额外的输入，Print help为参数的介绍
Option opt = new Option("h", "help", false, "Print help");
//定义该参数是否为必须的
opt.setRequired(false);
options.addOption(opt);
解析
由CLi对用户输入的命令行进行解析。
HelpFormatter hf = new HelpFormatter();
hf.setWidth(110);
CommandLine commandLine = null;
CommandLineParser parser = new PosixParser();
try {
commandLine = parser.parse(options, args);
//如果含有参数h，则打印帮助信息
if (commandLine.hasOption('h')) {
// 打印使用帮助
hf.printHelp("Jchain", options, true);
}
...
}catch(Exception e){
}
CommandLineParser 类中定义的 parse 方法将用 CLI 定义阶段中产生的 Options 实例和一组字符串作为输入，并返回解析后生成的 CommandLine。
CLI 解析阶段的目标结果就是创建 CommandLine 实例。
询问
该阶段是根据输入的参数决定进入哪一个逻辑分支中。
Option[] opts = commandLine.getOptions();
if (opts != null) {
for (Option opt1 : opts) {
//name为参数名称
String name = opt1.getLongOpt();
//如果有额外的参数则传入value中
String value = commandLine.getOptionValue(name);
//...根据name指定具体的逻辑分支
}
}
分析完了，然后制定需要的参数好了:
这里指定了三个参数:s,a,w，分别为获取区块链实例，添加区块以及获取钱包实例的功能。
opt = new Option("s", "start", false, "start blockchain");
opt.setRequired(false);
options.addOption(opt);
opt = new Option("a", "add", true, "add block");
opt.setRequired(false);
options.addOption(opt);
opt = new Option("w", "wallet", false, "init wallet");
opt.setRequired(false);
options.addOption(opt);
然后是具体的逻辑分支:
if (name.equals("s") || name.equals("start")) {
System.out.println(Blockchain.getInstance().block.toString());
}
if(name.equals("a")||name.equals("add")&&value!=""){
System.out.println(Blockchain.getInstance().addBlock(value).toString());
}
if(name.equals("w")||name.equals("wallet")){
Wallet wallet = Wallet.getInstance();
System.out.println("private Key: "+Hex.encodeHexString(wallet.getPrivateKey()));
System.out.println();
System.out.println("public Key: "+Hex.encodeHexString(wallet.getPublicKey()));
}
简单测试一下是否正常工作:
#CliTest.java
public class CliTest {
public static void main(String[] args){
String[] str = {"-s","-w","-a","block"};
// String[] str = {"-h"};
Cli.Start(str);
}
}
看起来没有问题，获得了高度为4的区块链实例。也成功创建了钱包打印出公私钥。
最后生成了高度为5的区块 区块信息为我们输入的"block"。
Current Last Block num is:4
{"blkNum":4,"curBlockHash":"0000287895ae8f4e4fc781137adee2b2fd0da4d7be3abb68c04507979157eb70","data":"block","nonce":121263,"prevBlockHash":"00003ae4ca11f2dd6262d9218ffe6a98416b4e9e2ad789b39aef74b383cc96a6","timeStamp":"2020-05-17 14:28:16"}
private Key: 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
public Key: 305c300d06092a864886f70d0101010500034b00304802410082a46b7f68d835b5e8047b8794cfd4d5daf4b6f3d8258a8a78f670052f35bab562f52aa7a6eeeb69bc14e03f0d8019db5b754d68e8d0918aa6f2f4b636ba0f070203010001
{"blkNum":5,"curBlockHash":"000047e8fc13a5fe0404aeca104f8624581738361f12f2a8c07c4f172dde62cc","data":"block","nonce":67701,"prevBlockHash":"0000287895ae8f4e4fc781137adee2b2fd0da4d7be3abb68c04507979157eb70","timeStamp":"2020-05-17 16:27:29"}
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