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使用Java实现简单的区块链程序的方法

作者：老K的Java博客

这篇文章主要介绍了使用Java实现简单的区块链程序的方法,本文给大家介绍的非常详细，对大家的学习或工作具有一定的参考借鉴价值，需要的朋友可以参考下

在本文中，我们将学习区块链技术的基本概念。我们还将用Java实现一个基本的应用程序，重点介绍这些概念。

此外，我们还将讨论该技术的一些先进概念和实际应用。

什么是区块链？

那么，让我们先来了解一下区块链到底是什么…

好吧，它的起源可以追溯到Satoshi Nakamoto在2008年发表的关于比特币的白皮书。

区块链是一个分散的信息分类帐。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一个基本教程时，我们将更好地理解这一点。

我们必须了解一些重要的属性，让我们来了解一下：

区块链是如何工作的？

现在，让我们来了解区块链是如何工作的。

区块链的基本单位是区块。单个块可以封装多个事务或其他有价值的数据：

开采区块

我们用散列值表示一个块。生成块的哈希值称为“挖掘”块。开采一个区块通常计算成本很高，因为它是“工作证明”。

块的散列通常由以下数据组成：

向区块链中添加区块

虽然挖掘块的计算成本很高，但验证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， 在节点一致的情况下，一个新挖掘的区块被添加到区块链中。

现在，有几种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，即使引入恶意分支，也会很快被大多数节点拒绝。

Java中的基本区块链
现在我们已经有足够的上下文开始用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才看到的基本概念。生产级应用程序需要考虑很多问题，这些问题超出了本教程的范围。不过，我们稍后将讨论一些高级主题。

实现块

首先，我们需要定义一个简单的POJO来保存块的数据：

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的东西：

nonce

计算散列

现在，我们如何计算块的散列呢？我们已经使用了 calculateBlockHash 方法，但还没有看到实现。在我们实现这个方法之前，花点时间来理解什么是散列是值得的。

散列是散列函数的输出。 哈希函数将任意大小的输入数据映射为固定大小的输出数据。 哈希对输入数据中的任何更改都非常敏感，无论更改多么小。

此外，仅仅从散列中获取输入数据是不可能的。这些属性使得哈希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();
}
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，让我们详细了解一下：

MessageDigest

我们在那块地上挖矿了吗？

到目前为止，一切听起来都简单而优雅，只是我们还没有开采这个区块。那么，究竟需要挖掘一个区块，这已经吸引了开发人员一段时间的想象力！

嗯，挖掘一个区块意味着为这个区块解决一个计算复杂的任务。虽然计算一个块的散列有点琐碎，但找到以五个零开始的散列却不是。更复杂的是找到一个以十个零开始的散列，我们就得到了一个大概的想法。

那么，我们到底该怎么做呢？老实说，这个解决方案没有那么花哨！我们是用蛮力来达到这个目标的。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;
}

让我们看看我们要做的是：

nonce

我们从默认值 nonce 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一个瞬间。另外，我们这里没有验证我们的数据，这通常是一个重要的部分。

让我们运行这个示例

现在我们已经定义了块及其函数，我们可以用它来创建一个简单的区块链。我们将此存储在 ArrayList 中：

List<Block> blockchain = new ArrayList<>();
int prefix = 4;
String prefixString = new String(new char[prefix]).replace('\0', '0');

此外，我们还定义了一个前缀4，这实际上意味着我们希望哈希以4个零开始。

让我们看看如何在这里添加块：

@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);
}

区块链验证

节点如何验证区块链的有效性？虽然这可能相当复杂，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，我们对每个街区进行三次具体检查：

一些先进的概念

虽然我们的基本示例介绍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问题，但我们还是来看看其中一些重要的问题：

交易验证

计算块的散列并找到所需的散列只是挖掘的一部分。数据块由数据组成，通常以多个事务的形式出现。在将其作为区块的一部分并开采之前，必须对其进行验证。

区块链的典型实现 对一个区块可以包含多少数据设置了限制。它还设置了如何验证事务的规则。网络中的多个节点参与验证过程。

替代协商一致议定书

我们看到像“工作证明”这样的共识算法被用来挖掘和验证一个块。然而，这并不是唯一可用的一致性算法。

还有其他几种共识算法可供选择，如利害关系证明、权威性证明和权重证明。所有这些都有其利弊。使用哪一种取决于我们打算设计的应用程序的类型。

采矿奖励

区块链网络通常由自愿节点组成。现在，为什么会有人想为这个复杂的过程做出贡献，并保持它的合法性和增长？

这是因为 节点因验证事务和挖掘块而获得奖励 。这些奖励通常是与申请相关联的硬币形式。但是一个应用程序可以决定奖励是任何有价值的东西。

节点类型

区块链完全依赖其网络来运作。理论上，网络是完全分散的，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。

完整节点有完整的事务列表，而轻型节点只有部分列表。此外，并非所有节点都参与验证和确认。

保密通信

区块链技术的一个特点是它的开放性和匿名性。但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。

事务的发起方使用他们的私钥来保护它，并将它附加到接收方的公钥上。节点可以使用参与者的公钥来验证事务。

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具有破坏性。

它在许多其他领域的应用正在积极进行。让我们了解一下最流行的应用程序：

行业工具

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实际的。谢天谢地，这个领域现在已经成熟了，我们确实有一些非常有用的工具可以开始。

让我们来看看一些流行的工具，以便在这个空间中工作：

小结

总之，在本文中，我们介绍了区块链技术的基本概念。我们了解了网络如何挖掘并在区块链中添加新区块。此外，我们还用Java实现了基本概念。我们还讨论了与此技术相关的一些高级概念。

最后，我们总结了区块链的一些实际应用以及可用的工具。

完整代码地址： https://github.com/eugenp/tutorials/tree/master/java-blockchain

到此这篇关于使用Java实现简单的区块链程序的文章就介绍到这了,更多相关java区块链程序内容请搜索脚本之家以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持脚本之家！

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