只用120行Java代码写一个自己的区块链
区块链是目前最热门的话题，广大读者都听说过比特币，或许还有智能合约，相信大家都非常想了解这一切是如何工作的。这篇文章就是帮助你使用 Java 语言来实现一个简单的区块链，用不到 120 行代码来揭示区块链的原理！
“用不到120行 Java 代码就能实现一个自己的区块链！” 听起来不可思议吧？有什么能比开发一个自己的区块链更好的学习实践方法呢？那我们就一起来实践下！
因为我们是一家从事互联网金融的科技公司，所以我们采用虚拟资产金额作为这篇文章中的示例数据。大家可以先为自己想一个数字，后面我们会用到。
通过本文，你将可以做到：
- 创建自己的区块链
- 理解 hash 函数是如何保持区块链的完整性的
- 如何创造并添加新的块
- 多个节点如何竞争生成块
- 通过浏览器来查看整个链
- 所有其他关于区块链的基础知识
但是，对于比如工作量证明算法（PoW）以及权益证明算法（PoS）这类的共识算法文章中将不会涉及。同时为了让你更清楚得查看区块链以及块的添加，我们将网络交互的过程简化了，关于 P2P 网络比如“对等网络”等内容将在将来的文章中讲解。
让我们开始吧！
设置
我们假设你已经具备一点 Java 语言的开发经验，以及maven项目构建经验。在安装和配置 Java 开发环境后之后，我们新建maven项目，在pom中增加一些依赖：
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<!-- 超小型web框架 --> <dependency> <groupId>com.sparkjava</groupId> <artifactId>spark-core</artifactId> <version>${spark.version}</version> </dependency> |
Spark-web Framework是一个基于jetty的超小型框架，我们用它来写http访问的请求处理。
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<dependency> <groupId>commons-codec</groupId> <artifactId>commons-codec</artifactId> <version>${commons.codec.version}</version> </dependency> |
这个通用包拥有几乎所有加解密算法及常规操作
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<dependency> <groupId>com.google.code.gson</groupId> <artifactId>gson</artifactId> <version>2.8.2</version> </dependency> |
Google的json包，当然你可以使用你喜欢的其他json包。
最后，增加log相关的包
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<!-- 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 --> |
相关版本属性设置
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<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> |
接下来，我们创建一个 SparkWeb.java文件。之后我们的大部分工作都围绕这个文件，让我开始编码吧！
数据模型
我们来定义一个Block类，它代表组成区块链的每一个块的数据模型：
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public class Block { /**是这个块在整个链中的位置*/ private int index; /**显而易见就是块生成时的时间戳*/ private String timestamp; /**虚拟资产。我们要记录的数据*/ private int vac; /**是这个块通过 SHA256 算法生成的散列值*/ private String hash; /**指向前一个块的 SHA256 散列值*/ private String prevHash;
/** getters and setters**/ } |
接着，我们再定义一个结构表示整个链，最简单的表示形式就是一个 Block 的 顺序表：
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ArrayList<Block> blockChain |
我们使用散列算法（SHA256）来确定和维护链中块和块正确的顺序，确保每一个块的 PrevHash 值等于前一个块中的 Hash 值，这样就以正确的块顺序构建出链：
[ index:0| hash:"xxxw"| preHash:""] - [ index:1| hash:"xxxx"| preHash:"xxxw"] - [ index2| hash:"xxxy"| preHash:"xxxx"]
散列和生成块
我们为什么需要散列？主要是两个原因：
- 在节省空间的前提下去唯一标识数据。散列是用整个块的数据计算得出，在我们的例子中，将整个块的数据通过 SHA256 计算成一个定长不可伪造的字符串。
- 维持链的完整性。通过存储前一个块的散列值，我们就能够确保每个块在链中的正确顺序。任何对数据的篡改都将改变散列值，同时也就破坏了链。以我们从事的医疗健康领域为例，比如有一个恶意的第三方为了调整“人寿险”的价格，而修改了一个或若干个块中的代表不健康的 VAC 值，那么整个链都变得不可信了。
我们接着写一个函数，用来计算给定的数据的 SHA256 散列值：
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public static String calculateHash(Block block) { String record = (block.getIndex()) + block.getTimestamp() + (block.getVac()) + block.getPrevHash(); return SHA256.crypt(record); } |
接下来我们就能得到一个生成块的函数：
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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 是从给定的前一块的 Index 递增得出，时间戳是直接通过 new Date() 函数来获得的，Hash 值通过前面的 calculateHash 函数计算得出，PrevHash 则是给定的前一个块的 Hash 值。
校验块
搞定了块的生成，接下来我们需要有函数帮我们判断一个块是否有被篡改。检查 Index 来看这个块是否正确得递增，检查 PrevHash 与前一个块的 Hash 是否一致，再来通过 calculateHash 检查当前块的 Hash 值是否正确。通过这几步我们就能写出一个校验函数：
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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; } |
除了校验块以外，我们还会遇到一个问题：两个节点都生成块并添加到各自的链上，那我们应该以谁为准？这里的细节我们留到下一篇文章，这里先让我们记住一个原则：始终选择最长的链。
[block 1] -> [block 2] -> [block 3] -> [block 4] -> [block 5] -> 认可
[block 1] -> [block 2] -> [block 3] -> [block 4] -> 丢弃
通常来说，更长的链表示它的数据（状态）是更加新的，所以我们需要一个函数能帮我们将本地的过期的链切换成最新的链：
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public void replaceChain(ArrayList<Block> newBlocks) { if (newBlocks.size() > blockChain.size()) { blockChain = newBlocks; } } |
到这一步，我们基本就把所有重要的函数完成了。接下来，我们需要一个方便直观的方式来查看我们的链，包括数据及状态。通过浏览器查看 web 页面可能是最合适的方式。
Web 服务
我猜你一定对传统的 web 服务及开发非常熟悉，所以这部分你肯定一看就会。
借助 Spark Web Framework，来完成我们的 web 服务，代码如下：
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public static void main(String[] args) { // port(5678); //默认端口是4567，你可以设置别的端口 } |
OK，完成，对，你没看错，就是一个空的main方法，就可以了。
接下来我们定义不同 endpoint 以及对应的 handler。例如，对“/”的 GET 请求我们可以查看整个链，对“/”的 POST 请求可以创建一个新的块。
GET 请求的 handler：
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get("/", (q, a) ->{return gson.toJson(blockChain)}); |
为了简化，我们直接以 JSON 格式返回整个链，你可以在浏览器中访问 localhost:4567 或者 127.0.0.1:4567 来查看
POST 请求的 handler 稍微有些复杂，我们先来定义一下 POST 请求的 payload：
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public class Message { private int vac; //getters and setters } |
再看看 handler 的实现：
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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!"; }); |
我们的 POST 请求体中可以使用上面定义的 payload，比如：
{"vac":7500}
还记得前面我们写的 generateBlock 这个函数吗？它接受一个“前一个块”参数，和一个 VAC 值。POST handler 接受请求后就能获得请求体中的 VAC 值，接着借助生成块的函数以及校验块的函数就能生成一个新的块了！
除此之外，你也可以：
- 使用new GsonBuilder().setPrettyPrinting().create()这个函数可以以非常美观和方便阅读的方式将数据json化打印在控制台里，方便调试。
- 测试 POST 请求时，可以使用 POSTMAN 这个 chrome 插件，相比 curl它更直观和方便。也可以使用RESTClient这个FireFox插件。
快要大功告成了
接下来，我们把这些关于区块链的函数，web 服务的函数“组装”起来：最重要的是，我们需要产生第一个块（创世块），来作为区块链的头。
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//创世块 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); |
这里的 genesisBlock （创世块）是 main 函数中最重要的部分，通过它来初始化区块链，毕竟要有一个开始，第一个块的 PrevHash 是空的。
哦耶！完成了
让我们来启动它：
在终端中，我们可以看到 web 服务器启动的日志信息，并且打印出了创世块的信息：
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[INFO ] 2018-02-08 10:58:26 SparkWeb@(SparkWeb.java:132):[ |
接着我们打开浏览器，访问 http://localhost:4567 这个地址，我们可以看到页面中展示了当前整个区块链的信息（当然，目前只有一个创世块）：
| { "index": 0, "timestamp": "2018-02-08 10:58:25", "vac": 0, "hash": "7c2d2db62a82ac8aa3d843ff837c604d8bd17800f4c466d472c5df185b8967fa", "prevHash": "" } |
接着，我们再通过 RESRClient来发送一些 POST 请求：post http://localhost:4567/ {"vac":15} [send];
或者使用curl命令：curl -X POST -i http://localhost:4567/ --data '{"vac":125}'。
刷新刚才的http://localhost:4567 页面，现在的链中多了一个块，正是我们刚才生成的，同时可以看到，块的顺序和散列值都正确。
源码:https://github.com/Mignet/blockchain
下一步
刚刚我们完成了一个自己的区块链，虽然很简单很简陋，但它具备块生成、散列计算、块校验等基本能力。接下来你就可以继续深入的学习区块链的其他重要知识，比如工作量证明、权益证明这样的共识算法，或者是智能合约、Dapp、侧链等等。当然，最重要的一点，作为去中心化的技术，维护一个在启动时可以连接的对等节点列表，进行peer to peer的通讯也是区块链技术必不可少的核心部分。
