1. 概述
在本教程中，我们将学习区块链技术的基本概念。我们还将用Java实现一个侧重于概念的基本应用程序。
此外，我们将讨论该技术的一些高级概念和实际应用。
2. 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…
它的起源可以追溯到2008年中本聪(Satoshi Nakamoto)发表的关于比特币的白皮书。
区块链是一种分散的信息分类账。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，我们会更好地理解这一点。
有一些我们必须了解的重要属性，所以让我们来看看它们：
- 防篡改：首先，作为块一部分的数据是防篡改的。每个块都由一个加密摘要(通常称为哈希)引用，使块防篡改。
- 去中心化：整个区块链在网络中是完全去中心化的。这意味着没有主节点，网络中的每个节点都有相同的副本。
- 透明：参与网络的每个节点都通过与其他节点达成共识来验证并向其链中添加新块。因此，每个节点都具有完整的数据可见性。
3. 区块链如何运作？
现在，让我们了解区块链的工作原理。
区块链的基本单位是区块，单个块可以封装多个交易或其他有价值的数据：
3.1 挖块
我们用哈希值表示一个块。生成块的哈希值称为“挖掘”块。挖掘一个块通常在计算上是昂贵的，因为它用作“工作量证明”。
块的哈希值通常由以下数据组成：
- 一个区块的哈希主要由它封装的交易组成
- 哈希还包含块创建的时间戳
- 它还包括随机数，密码学中使用的任意数字
- 最后，当前块的哈希还包括前一个块的哈希
网络中的多个节点可以同时竞争挖掘区块。除了生成哈希之外，节点还必须验证添加到块中的交易是否合法。第一个开采区块的人赢得比赛！
3.2 在区块链中添加一个块
虽然挖掘区块的计算成本很高，但验证区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，根据节点的共识，将新开采的区块添加到区块链中。
现在，有几种可用的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，即使引入了恶意分支，也会很快被大多数节点拒绝。
4. Java中的基本区块链
现在我们已经有了足够的上下文来开始用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刚看到的基本概念，生产级应用程序需要考虑许多超出本教程范围的注意事项。但是，我们稍后会涉及一些高级主题。
4.1. 实现区块
首先，我们需要定义一个简单的POJO来保存我们块的数据：
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指定的内容：
- 前一个区块的哈希，构建链的重要部分
- 实际数据，任何有价值的信息，如合同
- 该块创建的时间戳
- 一个随机数，它是密码学中使用的任意数字
- 最后是这个区块的哈希，根据其他数据计算出来
4.2 计算哈希
现在，我们如何计算块的哈希值？我们使用了calculateBlockHash方法，但还没有看到实现。在我们实现这个方法之前，值得花一些时间来理解哈希到底是什么。
哈希是一种称为哈希函数的输出，哈希函数将任意大小的输入数据映射到固定大小的输出数据。哈希对输入数据的任何变化都非常敏感，无论变化有多小。
此外，仅从其哈希中取回输入数据是不可能的。这些特性使哈希函数在密码学中非常有用。
那么，让我们看看如何用Java生成块的哈希值：
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：
- 首先，我们连接块的不同部分以从中生成哈希
- 然后，我们从MessageDigest得到一个SHA-256哈希函数的实例
- 然后，我们生成输入数据的哈希值，它是一个字节数组
- 最后，我们将字节数组转换为十六进制字符串，哈希通常表示为32位十六进制数
4.3 我们开采区块了吗？
到目前为止，一切听起来都简单而优雅，除了我们还没有开采这个区块的事实。那么究竟需要什么来挖掘一个区块，这已经吸引了开发人员一段时间的兴趣！
好吧，挖掘一个区块意味着为该区块解决一个计算复杂的任务。虽然计算一个块的哈希值有些微不足道，但找到以五个0开头的哈希值却并非如此。更复杂的是找到一个以十个0开头的哈希，我们得到一个大概的想法。
那么，我们究竟该怎么做呢？老实说，解决方案没有那么花哨！我们试图通过蛮力实现这一目标。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;
}
让我们看看我们在这里要做的是：
- 我们首先定义我们希望找到的前缀
- 然后我们检查我们是否找到了解决方案
- 如果不是，我们自增nonce并在循环中计算哈希值
- 循环一直持续到我们中大奖
我们从nonce的默认值开始，然后将其递增1。但是在实际应用程序中有更复杂的策略来启动和递增随机数。此外，我们没有在这里验证我们的数据，这通常是一个重要的部分。
4.4 运行示例
现在我们已经定义了块及其功能，我们可以使用它来创建一个简单的区块链。我们将其存储在ArrayList中：
List<Block> blockchain = new ArrayList<>();
int prefix = 4;
String prefixString = new String(new char[prefix]).replace('\0', '0');
此外，我们定义了一个前缀4，这实际上意味着我们希望哈希以四个0开头。
让我们看看如何在这里添加一个块：
@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);
}
4.5 区块链验证
节点如何验证区块链是否有效？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，在这里我们对每个块进行三个特定的检查：
- 当前块存储的哈希实际上是它计算的
- 当前块存储的前一个块的哈希值是前一个块的哈希值
- 当前区块已被开采
5. 一些高级概念
虽然我们的基本示例展示了区块链的基本概念，但它肯定是不完整的。要将这项技术投入实际使用，还需要考虑其他几个因素。
虽然不可能详细说明所有这些，但让我们来看看一些重要的。
5.1 交易验证
计算区块的哈希值并找到所需的哈希值只是挖矿的一部分。一个区块由数据组成，通常以多个交易的形式存在。这些必须先经过验证，然后才能成为区块的一部分并进行开采。
区块链的典型实现对多少数据可以成为块的一部分设置了限制。它还设置了如何验证交易的规则，网络中的多个节点参与验证过程。
5.2 备用共识协议
我们看到像“工作量证明”这样的共识算法被用来挖掘和验证一个块。但是，这并不是唯一可用的共识算法。
还有其他几种共识算法可供选择，例如权益证明、权威证明和权重证明。所有这些都有其优点和缺点。使用哪一个取决于我们打算设计的应用程序类型。
5.3 挖矿奖励
区块链网络通常由自愿节点组成。现在，为什么有人愿意为这个复杂的过程做出贡献并保持它的合法性和发展？
这是因为节点因验证交易和挖掘区块而获得奖励。这些奖励通常采用与应用程序相关的硬币形式。但是应用程序可以决定奖励是任何有价值的东西。
5.4 节点类型
区块链完全依赖于其网络来运行。理论上，网络是完全去中心化的，每个节点都是平等的。但是，在实践中，网络由多种类型的节点组成。
全节点有完整的交易列表，而轻节点只有部分列表。此外，并非所有节点都参与验证和确认。
5.5 安全通讯
区块链技术的一大特点是公开性和匿名性。但它如何为其中进行的交易提供安全性？这是基于密码学和公钥基础设施。
交易的发起者使用他们的私钥来保护它并将其附加到接收者的公钥。节点可以使用参与者的公钥来验证交易。
6. 区块链实际应用
因此，区块链似乎是一项令人兴奋的技术，但它也必须被证明是有用的。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颠覆性。
它在许多其他领域的应用正在积极寻求。让我们了解最流行的应用程序：
- 货币：由于比特币的成功，这是迄今为止最古老和最广为人知的区块链用途。他们在没有任何中央机构或政府干预的情况下为全球人民提供安全无摩擦的资金。
- 身份：数字身份正迅速成为当今世界的常态。然而，这受到安全问题和篡改的困扰。区块链不可避免地要通过完全安全和防篡改的身份彻底改变这一领域。
- 医疗保健：医疗保健行业充满了数据，主要由中央机构处理。这会降低处理此类数据的透明度、安全性和效率。区块链技术可以提供一个没有任何第三方的系统来提供急需的信任。
- 政府：这可能是一个很容易受到区块链技术破坏的领域。政府通常是多项公民服务的中心，这些服务往往效率低下且腐败。区块链可以帮助建立更好的政府与公民关系。
7. 交易工具
虽然我们这里的基本实现对于引出概念很有用，但从头开始在区块链上开发产品是不切实际的。值得庆幸的是，这个领域现在已经成熟，我们确实有一些非常有用的工具可以作为起点。
让我们来看看在这个空间中工作的一些流行工具：
- Solidity：Solidity是一种静态类型和面向对象的编程语言，专为编写智能合约而设计。它可用于在以太坊等各种区块链平台上编写智能合约。
- Remix IDE：Remix是一个强大的开源工具，用于在Solidity中编写智能合约，这使用户能够直接从浏览器编写智能合约。
- Truffle Suite：Truffle提供了一系列工具来帮助开发人员启动并开始开发分布式应用程序，这包括Truffle、Ganache和Drizzle。
- Ethlint/Solium：Solium允许开发人员确保他们在Solidity上编写的智能合约没有风格和安全问题，Solium还有助于解决这些问题。
- Parity：Parity有助于为Etherium上的智能合约设置开发环境，它提供了一种与区块链交互的快速且安全的方式。
8. 总结
总而言之，在本教程中，我们了解了区块链技术的基本概念。我们了解网络如何挖掘并在区块链中添加新块。此外，我们用Java实现了基本概念。我们还讨论了与该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。
与往常一样，本教程的完整源代码可在GitHub上获得。
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