前言

近幾年區(qū)塊鏈概念越來越火，特別是區(qū)塊鏈技術(shù)被納入國家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)名單后，各大企業(yè)也開始招兵買馬，對區(qū)塊鏈技術(shù)進(jìn)行研究，從各大招聘網(wǎng)站的區(qū)塊鏈職位來看，薪資待遇都很不錯(cuò)，月薪30K到80K的都有，這對于我們程序員來說也是一種機(jī)遇，說明學(xué)習(xí)區(qū)塊鏈技術(shù)刻不容緩。

我個(gè)人從2016年就開始在做區(qū)塊鏈系統(tǒng)開發(fā)的相關(guān)工作，最近身邊很多朋友都在找我，想讓我給他們講講區(qū)塊鏈技術(shù)開發(fā)的相關(guān)知識，介于此，索性我就手?jǐn)]了一套簡單的java區(qū)塊鏈系統(tǒng)，并寫了一份詳細(xì)的開發(fā)教程，發(fā)布到博客，希望能夠?qū)釔蹍^(qū)塊鏈技術(shù)的小伙伴學(xué)習(xí)入門有所幫助。

這套區(qū)塊鏈系統(tǒng)代碼非常簡潔清晰，對于新手來說非常好理解，旨在告訴大家其實(shí)區(qū)塊鏈技術(shù)并沒有那么高深復(fù)雜。系統(tǒng)中除了springboot框架外，其他基本都是純原生開發(fā)，就連P2P網(wǎng)絡(luò)也是用的java socket來實(shí)現(xiàn)的。

文末有本文完整源碼鏈接。

一、區(qū)塊鏈技術(shù)理論基礎(chǔ)

1、基本概念

（1）區(qū)塊鏈

從技術(shù)層面來看，區(qū)塊鏈?zhǔn)怯砂灰仔畔⒌膮^(qū)塊按照時(shí)間順序從后向前有序鏈接起來的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

從應(yīng)用層面來說，區(qū)塊鏈?zhǔn)且粋€(gè)分布式的共享賬本和數(shù)據(jù)庫，具有去中心化、不可篡改、全程留痕、集體維護(hù)、公開透明等特點(diǎn)?；谶@些特點(diǎn)，區(qū)塊鏈技術(shù)可以開發(fā)出自帶信任體系特征的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)多個(gè)主體之間的協(xié)作信任與一致行動(dòng)。

區(qū)塊是區(qū)塊鏈中的最小組成單位，主要有包含元數(shù)據(jù)的區(qū)塊頭和存放一條或者多條交易信息的區(qū)塊體兩部分組成，每個(gè)區(qū)塊都記錄著當(dāng)前區(qū)塊的哈希和上一個(gè)區(qū)塊的哈希，通過兩個(gè)哈希值的關(guān)聯(lián)，讓所有的區(qū)塊以鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)串起來，就形成了一個(gè)完整的區(qū)塊鏈。

區(qū)塊鏈中的第一個(gè)區(qū)塊被稱作為創(chuàng)世區(qū)塊，無需關(guān)聯(lián)上一個(gè)區(qū)塊。以BTC網(wǎng)絡(luò)為例，每個(gè)區(qū)塊主要包含如下信息字段：

區(qū)塊大?。河米止?jié)表示的區(qū)塊數(shù)據(jù)大小

區(qū)塊頭：組成區(qū)塊頭的包括以下幾個(gè)字段：

1. 區(qū)塊頭hash值

2. 父區(qū)塊頭hash值

3. 時(shí)間戳：區(qū)塊產(chǎn)生的近似時(shí)間

4. Merkle根：該區(qū)塊中交易的merkle樹根的哈希值

5. 難度目標(biāo)：該區(qū)塊工作量證明算法的難度目標(biāo)

6. Nonce：用于工作量證明算法的計(jì)數(shù)器

交易計(jì)數(shù)器：交易的數(shù)量

交易：記錄在區(qū)塊里的交易信息

區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)的簡易模型，如下圖所示：

區(qū)塊中的交易集合記錄的是一些特定的信息，在BTC網(wǎng)絡(luò)中主要記錄的是交易信息，在其他區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中可以按照業(yè)務(wù)邏輯來保存相應(yīng)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，如審計(jì)信息、版權(quán)信息、票據(jù)信息等，這也是區(qū)塊鏈經(jīng)常用來當(dāng)做共享賬本的原因。

打個(gè)比方，可以把區(qū)塊鏈當(dāng)做一個(gè)用來記賬的筆記本，一個(gè)區(qū)塊就相當(dāng)于一頁紙，上面記錄了某一時(shí)間段內(nèi)所有的賬務(wù)信息，從第一頁到最后一頁，按照頁碼順序排列起來就是一個(gè)完整的賬本。

（2）區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)

實(shí)際的區(qū)塊鏈系統(tǒng)由多個(gè)區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)組成，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都運(yùn)行著相同一套區(qū)塊鏈主干網(wǎng)絡(luò)的副本，且各個(gè)節(jié)點(diǎn)間通過P2P網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行交互，并最終形成一個(gè)完整的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

P2P網(wǎng)絡(luò)具有可靠性、去中心化，以及開放性，各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間交互運(yùn)作、協(xié)同處理，每個(gè)節(jié)點(diǎn)在對外提供服務(wù)的同時(shí)也使用網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點(diǎn)所提供的服務(wù)。當(dāng)某一個(gè)區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生新的區(qū)塊時(shí)，會(huì)通過廣播的方式告訴其他節(jié)點(diǎn)，其他節(jié)點(diǎn)通過網(wǎng)絡(luò)接收到該區(qū)塊信息時(shí)，會(huì)對這個(gè)區(qū)塊信息進(jìn)行驗(yàn)證，當(dāng)有一定數(shù)量的節(jié)點(diǎn)都驗(yàn)證通過后，各個(gè)節(jié)點(diǎn)會(huì)把該區(qū)塊更新到各自現(xiàn)有的區(qū)塊鏈上，最終使得整個(gè)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)信息保持一致，這也是區(qū)塊鏈去中心化、可信任特性的體現(xiàn)。

區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)簡易模型，如下圖所示：

2、區(qū)塊鏈分類

（1）公有鏈

公有區(qū)塊鏈（Public Block Chains)是指：世界上任何個(gè)體或者團(tuán)體都可以發(fā)送交易，且交易能夠獲得該區(qū)塊鏈的有效確認(rèn)，任何人都可以參與使用和維護(hù)該區(qū)塊鏈，信息公開透明。公有區(qū)塊鏈?zhǔn)亲钤绲膮^(qū)塊鏈，例如BTC、以太坊等虛擬數(shù)字貨幣均基于公有區(qū)塊鏈。不過目前公有鏈實(shí)際應(yīng)用價(jià)值不大，并沒有產(chǎn)生特別合適的應(yīng)用場景。

（2）聯(lián)盟鏈

行業(yè)區(qū)塊鏈（Consortium Block Chains)：由某個(gè)群體內(nèi)部指定多個(gè)預(yù)選的節(jié)點(diǎn)為記賬人，每個(gè)塊的生成由所有的預(yù)選節(jié)點(diǎn)共同決定（預(yù)選節(jié)點(diǎn)參與共識過程），其他接入節(jié)點(diǎn)可以參與交易，但有權(quán)限限制，信息受保護(hù)，如銀聯(lián)組織。目前聯(lián)盟鏈?zhǔn)歉鱾€(gè)區(qū)塊鏈技術(shù)團(tuán)隊(duì)主要研究的對象，由于聯(lián)盟鏈擁有區(qū)塊鏈技術(shù)的大部分特征，并且在權(quán)限管理、數(shù)據(jù)安全、監(jiān)管方面更有優(yōu)勢，是企業(yè)優(yōu)先考慮的區(qū)塊鏈技術(shù)方案。

市面上也有一些比較主流的聯(lián)盟鏈技術(shù)框架，讓開發(fā)維護(hù)聯(lián)盟鏈更加便捷。國內(nèi)一些大的軟件廠商也都有自己的企業(yè)區(qū)塊鏈技術(shù)解決方案，例如螞蟻金服區(qū)塊鏈平臺，騰訊的TrustSQL平臺，東軟的SaCa EchoTrust區(qū)塊鏈應(yīng)用平臺以及京東區(qū)塊鏈防偽追溯平臺等等。

（3）私有鏈

私有區(qū)塊鏈（Private Block Chains)：僅僅使用區(qū)塊鏈的總賬技術(shù)進(jìn)行記賬，可以是一個(gè)公司，也可以是個(gè)人，獨(dú)享該區(qū)塊鏈的寫入權(quán)限，利用區(qū)塊鏈的不易篡改特性，把區(qū)塊鏈作為賬本數(shù)據(jù)庫來使用。

3、關(guān)鍵技術(shù)與特性

（1）共識機(jī)制

共識機(jī)制被稱作為區(qū)塊鏈系統(tǒng)的靈魂，是區(qū)塊鏈系統(tǒng)信任體系的基礎(chǔ)。區(qū)塊鏈系統(tǒng)作為一個(gè)多節(jié)點(diǎn)的分布式賬本系統(tǒng)，當(dāng)有新的信息需要記錄時(shí)，哪個(gè)節(jié)點(diǎn)來負(fù)責(zé)記賬，記賬獎(jiǎng)勵(lì)發(fā)放給哪個(gè)節(jié)點(diǎn)，哪些節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)驗(yàn)證記賬結(jié)果，如何讓各個(gè)節(jié)點(diǎn)達(dá)成最終一致，將記賬結(jié)果被網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)以同樣的順序復(fù)制并記錄下來，就是共識機(jī)制要做的事情。

而按照百度百科上的說法： 

所謂“共識機(jī)制”是通過特殊節(jié)點(diǎn)的投票，在很短的時(shí)間內(nèi)完成對交易的驗(yàn)證和確認(rèn)，對一筆交易，如果利益不相干的若干個(gè)節(jié)點(diǎn)能夠達(dá)成共識，我們就可以認(rèn)為全網(wǎng)對此也能夠達(dá)成共識。再通俗一點(diǎn)來講，如果中國一名微博大V、美國一名虛擬幣玩家、一名非洲留學(xué)生和一名歐洲旅行者互不相識，但他們都一致認(rèn)為你是個(gè)好人，那么基本上就可以斷定你這人還不壞。
 

目前，較為主流的共識算法有PoW、PoS、DPoS、PBFT等，在實(shí)際使用時(shí)，每種算法都有各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。在應(yīng)用于不同場景時(shí)，區(qū)塊鏈項(xiàng)目將會(huì)采用不同的共識機(jī)制和算法。

（2）去中心化

去中心化，是互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展過程中形成的社會(huì)關(guān)系形態(tài)和內(nèi)容產(chǎn)生形態(tài)，是相對于“中心化”而言的新型網(wǎng)絡(luò)內(nèi)容生產(chǎn)過程。在一個(gè)分布有眾多節(jié)點(diǎn)的區(qū)塊鏈系統(tǒng)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都具有高度自治的特征。任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)都可能成為階段性的中心，但不具備強(qiáng)制性的中心控制功能。節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間的影響，會(huì)通過網(wǎng)絡(luò)而形成關(guān)聯(lián)關(guān)系。這種開放式、扁平化、平等性的系統(tǒng)現(xiàn)象或結(jié)構(gòu)，我們稱之為去中心化。

去中心化的系統(tǒng)具有容錯(cuò)力高、抗攻擊力強(qiáng)的特征。中心化的系統(tǒng)一旦中心出現(xiàn)問題，整個(gè)系統(tǒng)都會(huì)崩潰，但是區(qū)塊鏈系統(tǒng)中的任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)問題，并不會(huì)對整個(gè)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生太大的影響。

另外，去中介化并不代表著不接受監(jiān)管，“去中心化”去的是中央控制方和中介方，而不是監(jiān)管方。監(jiān)管節(jié)點(diǎn)可以方便地接入任何一個(gè)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)。并且由于區(qū)塊鏈的公開透明特性，監(jiān)管機(jī)構(gòu)反而可以更加方便地監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)的交易數(shù)據(jù)。

（3）智能合約

從技術(shù)層面講，智能合約是一段部署在在區(qū)塊鏈上的程序代碼，當(dāng)滿足程序設(shè)定的條件時(shí)，它便會(huì)在區(qū)塊鏈上運(yùn)行，并得到相應(yīng)的結(jié)果。這種情況有點(diǎn)類似于微信的小程序，區(qū)塊鏈提供虛擬機(jī)和腳本語言，用戶根據(jù)腳本語言的語法開發(fā)帶有一定業(yè)務(wù)邏輯的程序，部署在區(qū)塊鏈上，當(dāng)滿足執(zhí)行的條件時(shí)，智能合約便會(huì)被區(qū)塊鏈虛擬機(jī)解釋并運(yùn)行。

典型的應(yīng)用便是以太坊平臺的智能合約，在這個(gè)平臺里可以支持用戶通過簡單的幾行代碼就能實(shí)現(xiàn)他們想要的合約，實(shí)現(xiàn)無需人為監(jiān)督的、不可篡改、自動(dòng)化運(yùn)行的合約，買賣房子不需要再找中介、借錢不需要再找公證人……人們可以隨時(shí)隨地根據(jù)自身需求發(fā)起合約，它的執(zhí)行不依賴某個(gè)人和組織，所有的信任完全基于以太坊區(qū)塊鏈平臺本身。

（4）不可篡改性

大部分人習(xí)慣稱它為不可篡改性，但是從技術(shù)層面來說，我個(gè)人覺得叫做不可逆轉(zhuǎn)性更貼切，既然是一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，增刪改查是基本的功能屬性，只不過區(qū)塊鏈系統(tǒng)刪除和修改操作比較特殊一點(diǎn)。

區(qū)塊鏈?zhǔn)怯擅總€(gè)區(qū)塊的哈希值串連起來的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，而區(qū)塊的哈希值=SHA256(“當(dāng)前區(qū)塊內(nèi)容+上一個(gè)區(qū)塊的哈希值”)，任何一個(gè)區(qū)塊的內(nèi)容發(fā)生修改，都會(huì)引起哈希值的變化，而哈希值的變化也會(huì)引起子區(qū)塊哈希值發(fā)生變化，進(jìn)而引起整個(gè)區(qū)塊鏈的改變。

因此任何人想要修改區(qū)塊的數(shù)據(jù)幾乎是不可能的，除非他把整個(gè)區(qū)塊鏈中從創(chuàng)世區(qū)塊到最新的區(qū)塊的所有哈希值全部重新修改一遍，并且修改完之后，還得廣播告訴網(wǎng)絡(luò)中的其他所有節(jié)點(diǎn)，讓其他所有節(jié)點(diǎn)接受修改。

不過按照目前計(jì)算機(jī)的算力，想要在短時(shí)間內(nèi)從區(qū)塊鏈頭部到尾部全部修改一遍，是一件非常困難的事，并且即使修改完了，其他節(jié)點(diǎn)也不會(huì)接受修改，因?yàn)閼{一己之力，沒有能夠讓所有節(jié)點(diǎn)達(dá)成共識的條件。

4、流行的區(qū)塊鏈框架與應(yīng)用

（1）公有鏈應(yīng)用：BTC網(wǎng)絡(luò)

區(qū)塊鏈1.0產(chǎn)品，對于比特幣，中本聰是這樣定義的：是一種完全通過點(diǎn)對點(diǎn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的電子現(xiàn)金系統(tǒng)，它使得在線支付能夠直接由一方發(fā)起并支付給另外一方，中間不需要通過任何的金融機(jī)構(gòu)。

與所有的貨幣不同，比特幣不依靠特定貨幣機(jī)構(gòu)發(fā)行，它依據(jù)特定算法，通過大量的計(jì)算產(chǎn)生，比特幣經(jīng)濟(jì)使用整個(gè)P2P網(wǎng)絡(luò)中眾多節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的分布式數(shù)據(jù)庫來確認(rèn)并記錄所有的交易行為，并使用密碼學(xué)的設(shè)計(jì)來確保貨幣流通各個(gè)環(huán)節(jié)安全性。之后人們根據(jù)比特幣網(wǎng)絡(luò)技術(shù)整理出了區(qū)塊鏈技術(shù)體系，去解決信任的問題，而比特幣網(wǎng)絡(luò)原理也成為了區(qū)塊鏈技術(shù)初學(xué)者的經(jīng)典教材。

（2）公有鏈應(yīng)用：以太坊網(wǎng)絡(luò)

區(qū)塊鏈2.0產(chǎn)品的代表，以太坊是一個(gè)為去中心化應(yīng)用（Dapp）而生的開源區(qū)塊鏈平臺，擁有著大部分區(qū)塊鏈技術(shù)的特征，但與其它區(qū)塊鏈不同的是，以太坊是可編程的，開發(fā)者可以用它來構(gòu)建不同的應(yīng)用程序，通過其專用加密貨幣以太幣（簡稱“ETH”）提供去中心化的以太虛擬機(jī)（Ethereum Virtual Machine）來處理點(diǎn)對點(diǎn)合約（就是一些腳本程序代碼）。如果把比特幣網(wǎng)絡(luò)看作是一套分布式的數(shù)據(jù)庫，而以太坊則更進(jìn)一步，它可以看作是一臺分布式的計(jì)算機(jī)：區(qū)塊鏈?zhǔn)怯?jì)算機(jī)的ROM，合約是程序，而以太坊的礦工們則負(fù)責(zé)計(jì)算，擔(dān)任CPU的角色。

以太坊的概念首次在2013至2014年間由程序員Vitalik Buterin受比特幣啟發(fā)后提出，大意為“下一代加密貨幣與去中心化應(yīng)用平臺”。雖然以太坊作為平臺可以在其上開發(fā)新的應(yīng)用，但是由于以太坊的運(yùn)行和BTC網(wǎng)絡(luò)一樣，采用的是Token機(jī)制，且平臺性能不足，經(jīng)常出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擁堵的情況，平臺用來學(xué)習(xí)開發(fā)與測試區(qū)塊鏈技術(shù)還可以，用于實(shí)際生產(chǎn)的話不太現(xiàn)實(shí)。

（3）聯(lián)盟鏈開發(fā)框架：Hyperledger Fabric

Hyperledger Fabric 也叫超級賬本，它是 IBM 貢獻(xiàn)給 Linux 基金會(huì)的商用分布式賬本，是面向企業(yè)應(yīng)用的全球最大的分布式開源項(xiàng)目。像其他區(qū)塊鏈技術(shù)一樣，它也有一個(gè)賬本，可以使用智能合約。Fabric的智能合約可以有多種架構(gòu)，它可以用主流語言編程，例如Go、Java和Javascript，此外也可以使用Solidity。

至今，F(xiàn)abric已獲得了阿里巴巴、AWS、Azure、百度、谷歌、華為、IBM、甲骨文、騰訊等互聯(lián)網(wǎng)巨頭的支持。許多企業(yè)的區(qū)塊鏈平臺都把Fabric作為底層框架來使用，例如甲骨文。不過由于IBM對區(qū)塊鏈的定義強(qiáng)調(diào)了區(qū)塊鏈的分布式和不可變兩個(gè)元素，對共識機(jī)制進(jìn)行了削弱，采用了Kafka和zookeeper的“排序服務(wù)”實(shí)現(xiàn)共識，因此部分業(yè)內(nèi)人士也稱超級賬本是“偽區(qū)塊鏈”，但是即便如此，也抵擋不了企業(yè)對超級賬本的喜愛，目前Fabric 2.0版本已經(jīng)正式發(fā)布。

（4）小結(jié)

目前公有鏈在實(shí)際應(yīng)用中并沒有太多的業(yè)務(wù)場景落地，大部分都是以挖礦為主題或者線上寵物飼養(yǎng)的游戲?yàn)橹?，并且由于?shù)字貨幣的匿名性，有些不法分子利用這一特點(diǎn)，將數(shù)字貨幣用于洗錢、暗網(wǎng)買賣等違法行為，是各個(gè)國家的打擊對象，我國政策法規(guī)也嚴(yán)厲禁止，因此對于技術(shù)人員來說，公有鏈可以作為研究學(xué)習(xí)的對象，其他方面暫時(shí)沒有太多實(shí)際意義。

目前大部分區(qū)塊鏈企業(yè)的研究方向主要是針對企業(yè)的聯(lián)盟鏈和私有鏈，并且國家層面也在大力支持區(qū)塊鏈技術(shù)的發(fā)展，特別是區(qū)塊鏈底層核心技術(shù)的研發(fā)，倡導(dǎo)把區(qū)塊鏈作為核心技術(shù)自主創(chuàng)新的重要突破口，明確主攻方向，加大投入力度，著力攻克一批關(guān)鍵核心技術(shù)，加快推動(dòng)區(qū)塊鏈技術(shù)和產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展。不過現(xiàn)在市面上主流的區(qū)塊鏈平臺大部分還是以國外公司主導(dǎo)的為主，國內(nèi)區(qū)塊鏈底層核心技術(shù)的發(fā)展，還需要技術(shù)人員的加倍努力。

二、區(qū)塊鏈技術(shù)Java實(shí)現(xiàn)

1、區(qū)塊鏈技術(shù)架構(gòu)

目前主流的區(qū)塊鏈技術(shù)架構(gòu)主要分為五層，數(shù)據(jù)層是最底層的技術(shù)，主要實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、賬戶信息、交易信息等模塊，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)主要基于Merkle樹，通過區(qū)塊的方式和鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，而賬戶和交易基于數(shù)字簽名、哈希函數(shù)和非對稱加密技術(shù)等多種密碼學(xué)算法和技術(shù)，來保證區(qū)塊鏈中數(shù)據(jù)的安全性。

網(wǎng)絡(luò)層主要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的連接和通訊，又稱點(diǎn)對點(diǎn)技術(shù)，各個(gè)區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。共識層是通過共識算法，讓網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)對全網(wǎng)所有的區(qū)塊數(shù)據(jù)真實(shí)性正確性達(dá)成一致，防止出現(xiàn)拜占庭攻擊、51攻擊等區(qū)塊鏈共識算法攻擊。

激勵(lì)層主要是實(shí)現(xiàn)區(qū)塊鏈代幣的發(fā)行和分配機(jī)制，是公有鏈的范疇，我們不做分析。應(yīng)用層一般把區(qū)塊鏈系統(tǒng)作為一個(gè)平臺，在平臺之上實(shí)現(xiàn)一些去中心化的應(yīng)用程序或者智能合約，平臺提供運(yùn)行這些應(yīng)用的虛擬機(jī)。

接下來我們基于Java語言來開發(fā)一套小型的區(qū)塊鏈系統(tǒng)，來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)層、網(wǎng)絡(luò)層、共識層的一些功能，用簡單的代碼來直觀抽象的概念，以便加深對以上區(qū)塊鏈技術(shù)基礎(chǔ)理論的理解。

2、基于java的區(qū)塊鏈開發(fā)實(shí)戰(zhàn)

（1）開發(fā)環(huán)境

（2）區(qū)塊鏈基本模型構(gòu)建

區(qū)塊是區(qū)塊鏈系統(tǒng)的最小單元，第一步我們先實(shí)現(xiàn)最簡單的區(qū)塊結(jié)構(gòu)，新建Block.java類，主要包含以下幾個(gè)字段：
Block.java

/**
 * 區(qū)塊結(jié)構(gòu)
 * 
 * @author Jared Jia
 *
 */
public class Block implements Serializable {

	private static final long serialVersionUID = 1L;
	/**
	 * 區(qū)塊索引號(區(qū)塊高度)
	 */
	private int index;
	/**
	 * 當(dāng)前區(qū)塊的hash值,區(qū)塊唯一標(biāo)識
	 */
	private String hash;
	/**
	 * 前一個(gè)區(qū)塊的hash值
	 */
	private String previousHash;
	/**
	 * 生成區(qū)塊的時(shí)間戳
	 */
	private long timestamp;
	/**
	 * 工作量證明，計(jì)算正確hash值的次數(shù)
	 */
	private int nonce;
	/**
	 * 當(dāng)前區(qū)塊存儲(chǔ)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)集合（例如轉(zhuǎn)賬交易信息、票據(jù)信息、合同信息等）
	 */
	private List<Transaction> transactions;
  
  /*** 省略get set方法****/
  }

區(qū)塊鏈?zhǔn)怯蓞^(qū)塊按照區(qū)塊哈希前后順序串聯(lián)起來的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，哈希值通過散列算法對區(qū)塊進(jìn)行二次哈希計(jì)算而得到的數(shù)字摘要信息（不了解散列函數(shù)的，可以先百度了解一下SHA算法），用于保證區(qū)塊的信息安全以及整條區(qū)塊鏈的有效性。因此第二步我們新增計(jì)算區(qū)塊Hash值的方法，采用SHA256算法，通過java實(shí)現(xiàn)：
CryptoUtil.java

/**
 * 密碼學(xué)工具類
 * 
 * @author Jared Jia
 *
 */
public class CryptoUtil {

	/**
	 * SHA256散列函數(shù)
	 * @param str
	 * @return
	 */
	public static String SHA256(String str) {
		MessageDigest messageDigest;
		String encodeStr = "";
		try {
			messageDigest = MessageDigest.getInstance("SHA-256");
			messageDigest.update(str.getBytes("UTF-8"));
			encodeStr = byte2Hex(messageDigest.digest());
		} catch (Exception e) {
			System.out.println("getSHA256 is error" + e.getMessage());
		}
		return encodeStr;
	}
	
	private static String byte2Hex(byte[] bytes) {
		StringBuilder builder = new StringBuilder();
		String temp;
		for (int i = 0; i < bytes.length; i++) {
			temp = Integer.toHexString(bytes[i] & 0xFF);
			if (temp.length() == 1) {
				builder.append("0");
			}
			builder.append(temp);
		}
		return builder.toString();
	}
}

第三步，創(chuàng)建一個(gè)鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)對象，按照先后順序來保存區(qū)塊對象，從來形成一個(gè)有序的區(qū)塊鏈表，考慮到線程安全問題，采用CopyOnWriteArrayList來實(shí)現(xiàn)，為了方便測試，暫且把區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)保存在本地緩存中，實(shí)際的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)最終會(huì)實(shí)現(xiàn)持久層的功能，把區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)保存至數(shù)據(jù)庫中，例如BTC核心網(wǎng)絡(luò)采用的是K-V數(shù)據(jù)庫LevelDB：
BlockCache.java

public class BlockCache {

	/**
	 * 當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)
	 */
	private List<Block> blockChain = new CopyOnWriteArrayList<Block>();
  
  public List<Block> getBlockChain() {
		return blockChain;
	}

	public void setBlockChain(List<Block> blockChain) {
		this.blockChain = blockChain;
	}
 }

第四步，有了區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)后，需要新增向區(qū)塊鏈中添加區(qū)塊的方法，同時(shí)每次添加區(qū)塊的時(shí)候，我們需要驗(yàn)證新區(qū)塊的有效性，例如Hash值是否正確，新區(qū)塊中上一區(qū)塊的Hash屬性的值，與上一區(qū)塊的Hash值是否相等。

另外，區(qū)塊鏈中必須有個(gè)創(chuàng)世區(qū)塊，我們直接通過硬編碼實(shí)現(xiàn):
BlockService.java

/**
 * 區(qū)塊鏈核心服務(wù)
 * 
 * @author Jared Jia
 *
 */
@Service
public class BlockService {

	@Autowired
	BlockCache blockCache;
  
	/**
	 * 創(chuàng)建創(chuàng)世區(qū)塊
	 * @return
	 */
	public String createGenesisBlock() {
		Block genesisBlock = new Block();
		//設(shè)置創(chuàng)世區(qū)塊高度為1
		genesisBlock.setIndex(1);
		genesisBlock.setTimestamp(System.currentTimeMillis());
		genesisBlock.setNonce(1);
		//封裝業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)
		List<Transaction> tsaList = new ArrayList<Transaction>();
		Transaction tsa = new Transaction();
		tsa.setId("1");
		tsa.setBusinessInfo("這是創(chuàng)世區(qū)塊");
		tsaList.add(tsa);
		Transaction tsa2 = new Transaction();
		tsa2.setId("2");
		tsa2.setBusinessInfo("區(qū)塊鏈高度為：1");
		tsaList.add(tsa2);		
		genesisBlock.setTransactions(tsaList);
		//設(shè)置創(chuàng)世區(qū)塊的hash值
		genesisBlock.setHash(calculateHash("",tsaList,1));
		//添加到已打包保存的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)集合中
		blockCache.getPackedTransactions().addAll(tsaList);
		//添加到區(qū)塊鏈中
		blockCache.getBlockChain().add(genesisBlock);
		return JSON.toJSONString(genesisBlock);
	}
	
	/**
	 * 創(chuàng)建新區(qū)塊
	 * @param nonce
	 * @param previousHash
	 * @param hash
	 * @param blockTxs
	 * @return
	 */
	public Block createNewBlock(int nonce, String previousHash, String hash, List<Transaction> blockTxs) {
		Block block = new Block();
		block.setIndex(blockCache.getBlockChain().size() + 1);
		//時(shí)間戳
		block.setTimestamp(System.currentTimeMillis());
		block.setTransactions(blockTxs);
		//工作量證明，計(jì)算正確hash值的次數(shù)
		block.setNonce(nonce);
		//上一區(qū)塊的哈希
		block.setPreviousHash(previousHash);
		//當(dāng)前區(qū)塊的哈希
		block.setHash(hash);
		if (addBlock(block)) {
			return block;
		}
		return null;
	}

	/**
	 * 添加新區(qū)塊到當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的區(qū)塊鏈中
	 * 
	 * @param newBlock
	 */
	public boolean addBlock(Block newBlock) {
		//先對新區(qū)塊的合法性進(jìn)行校驗(yàn)
		if (isValidNewBlock(newBlock, blockCache.getLatestBlock())) {
			blockCache.getBlockChain().add(newBlock);
			// 新區(qū)塊的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)需要加入到已打包的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)集合里去
			blockCache.getPackedTransactions().addAll(newBlock.getTransactions());
			return true;
		}
		return false;
	}
	
	/**
	 * 驗(yàn)證新區(qū)塊是否有效
	 * 
	 * @param newBlock
	 * @param previousBlock
	 * @return
	 */
	public boolean isValidNewBlock(Block newBlock, Block previousBlock) {
		if (!previousBlock.getHash().equals(newBlock.getPreviousHash())) {
			System.out.println("新區(qū)塊的前一個(gè)區(qū)塊hash驗(yàn)證不通過");
			return false;
		} else {
			// 驗(yàn)證新區(qū)塊hash值的正確性
			String hash = calculateHash(newBlock.getPreviousHash(), newBlock.getTransactions(), newBlock.getNonce());
			if (!hash.equals(newBlock.getHash())) {
				System.out.println("新區(qū)塊的hash無效: " + hash + " " + newBlock.getHash());
				return false;
			}
			if (!isValidHash(newBlock.getHash())) {
				return false;
			}
		}

		return true;
	}
 }

以上關(guān)鍵代碼實(shí)現(xiàn)之后，我們就構(gòu)建了一個(gè)非常簡單的區(qū)塊鏈模型，包含一個(gè)基本的區(qū)塊模型和一個(gè)區(qū)塊鏈模型，并且能夠生成新的區(qū)塊并添加到區(qū)塊鏈中，接下來我們進(jìn)行測試。

第五步，我們編寫一個(gè)Controller類進(jìn)行調(diào)用：
BlockController.java

@Controller
public class BlockController {

	@Resource
	BlockService blockService;
	
	@Autowired
	BlockCache blockCache;
	
	/**
	 * 查看當(dāng)前節(jié)點(diǎn)區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)
	 * @return
	 */
	@GetMapping("/scan")
	@ResponseBody
	public String scanBlock() {
		return JSON.toJSONString(blockCache.getBlockChain());
	}
  
  /**
	 * 創(chuàng)建創(chuàng)世區(qū)塊
	 * @return
	 */
	@GetMapping("/create")
	@ResponseBody
	public String createFirstBlock() {
		blockService.createGenesisBlock();
		return JSON.toJSONString(blockCache.getBlockChain());
	}
 }

第六步，系統(tǒng)測試

首先系統(tǒng)啟動(dòng)后，先查看區(qū)塊鏈中的數(shù)據(jù)，可以看到當(dāng)前系統(tǒng)中的區(qū)塊鏈為空：

然后我們調(diào)用創(chuàng)建創(chuàng)世區(qū)塊的方法，查看返回結(jié)果：

我們把生成的創(chuàng)世區(qū)塊添加到本地區(qū)塊鏈中后，轉(zhuǎn)換成JSON字符串返回，可以看到當(dāng)前區(qū)塊鏈中存儲(chǔ)的有一個(gè)區(qū)塊對象，至此我們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)簡單的區(qū)塊鏈。實(shí)際的區(qū)塊鏈系統(tǒng)模型要復(fù)雜的多，需要根據(jù)不同的業(yè)務(wù)場景擴(kuò)展相應(yīng)的字段，但是基本特征都是一樣的。

（3）共識機(jī)制實(shí)現(xiàn)

在上章節(jié)中，我們實(shí)現(xiàn)了一個(gè)簡單的區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)，并且能夠生成并添加新的區(qū)塊，但是問題來了，實(shí)際的區(qū)塊鏈系統(tǒng)是一個(gè)多節(jié)點(diǎn)、分布式、去中心化的網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)通過網(wǎng)絡(luò)交互，實(shí)時(shí)同步保存著同樣的整條區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)，那么我們生成的區(qū)塊，如何才能被其他節(jié)點(diǎn)認(rèn)可，并同步添加到其他所有節(jié)點(diǎn)上呢，這個(gè)時(shí)候我們就需要一套規(guī)則，讓所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的參與者達(dá)成能夠達(dá)成共識，接納并保存新的區(qū)塊，也就是所謂的“共識機(jī)制”。

理論基礎(chǔ)部分已經(jīng)提到了，共識機(jī)制有很多種，各有各的優(yōu)勢與缺點(diǎn)，接下來我們就用java代碼來模擬實(shí)現(xiàn)我們最為熟知的一種機(jī)制：工作量證明（Proof of Work），顧名思義就是對工作量的證明，在基于POW機(jī)制構(gòu)建的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)通過計(jì)算隨機(jī)哈希散列的數(shù)值爭奪記賬權(quán)，求得正確的數(shù)值并生成區(qū)塊的能力是節(jié)點(diǎn)算力的具體表現(xiàn)，計(jì)算的過程一般被形象地稱為“挖礦”。

簡單來說就是，區(qū)塊鏈系統(tǒng)設(shè)定一套計(jì)算規(guī)則或者說是一套計(jì)算題，在新區(qū)塊生成前，各個(gè)節(jié)點(diǎn)都投入到這道題的求解計(jì)算中，哪個(gè)節(jié)點(diǎn)先計(jì)算出結(jié)果，并得到其它節(jié)點(diǎn)的驗(yàn)證和認(rèn)可，這個(gè)節(jié)點(diǎn)就會(huì)獲得新區(qū)塊的記賬權(quán)，并獲得系統(tǒng)相應(yīng)的獎(jiǎng)勵(lì)，共識結(jié)束。

典型的PoW共識機(jī)制應(yīng)用就是BTC網(wǎng)絡(luò)，在BTC網(wǎng)絡(luò)中，共識計(jì)算的目標(biāo)是找到滿足某個(gè)特定要求的區(qū)塊Hash（哈希值）。這個(gè)區(qū)塊哈希值就是工作結(jié)果的一個(gè)證明，計(jì)算工作的目的就是為了尋找到這個(gè)證明值，上一章節(jié)中，測試時(shí)我們已經(jīng)見過這個(gè)Hash值：

[
    {
        "hash": "25931395e736653212f0258824df4222ae739ec2d5897310258b0857d4d3870c",
        "index": 1,
        "nonce": 1,
        "timestamp": 1580970554734,
        "transactions": [
            {
                "businessInfo": "這是創(chuàng)世區(qū)塊",
                "id": "1"
            }
        ]
    }
]

BTC網(wǎng)絡(luò)PoW使用的Hashcash算法，大致邏輯如下：

1. 獲取某種公開可知的數(shù)據(jù)data（BTC網(wǎng)絡(luò)中，指的是區(qū)塊頭）；
2. 添加一個(gè)計(jì)數(shù)器nonce，初始值設(shè)置為0；
3. 計(jì)算data與nonce拼接字符串的哈希值；
4. 檢查上一步的哈希值是否滿足某個(gè)條件，滿足則停止計(jì)算，不滿足則nonce加1，然后重復(fù)第3步和第4步，直到滿足這個(gè)特定的條件為止。

接下來我們用Java代碼實(shí)現(xiàn)這個(gè)算法，設(shè)定滿足的特定條件為，Hash值前4位都是0，則計(jì)算成功（實(shí)際區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中的特定條件要求更高，對計(jì)算的運(yùn)算能力要求也高，并且系統(tǒng)隨著計(jì)算難度動(dòng)態(tài)調(diào)整滿足的特定條件，來保證區(qū)塊生成的速度）。

第一步，我們新建一個(gè)共識機(jī)制服務(wù)類，添加一個(gè)“挖礦”方法，計(jì)算成功后，獲取記賬權(quán)，調(diào)用添加區(qū)塊的方法，把區(qū)塊添加到區(qū)塊鏈中：
PowService.java

/**
 * 共識機(jī)制
 * 采用POW即工作量證明實(shí)現(xiàn)共識
 * @author Administrator
 *
 */
@Service
public class PowService {

	@Autowired
	BlockCache blockCache;
	
	@Autowired
	BlockService blockService;
	
	/**
	 * 通過“挖礦”進(jìn)行工作量證明，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間的共識
	 * 
	 * @return
	 */
	public Block mine(){
		
		// 封裝業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)集合，記錄區(qū)塊產(chǎn)生的節(jié)點(diǎn)信息，臨時(shí)硬編碼實(shí)現(xiàn)
		List<Transaction> tsaList = new ArrayList<Transaction>();
		Transaction tsa1 = new Transaction();
		tsa1.setId("1");
		tsa1.setBusinessInfo("這是IP為："+CommonUtil.getLocalIp()+"，端口號為："+blockCache.getP2pport()+"的節(jié)點(diǎn)挖礦生成的區(qū)塊");
		tsaList.add(tsa1);
		Transaction tsa2 = new Transaction();
		tsa2.setId("2");
		tsa2.setBusinessInfo("區(qū)塊鏈高度為："+(blockCache.getLatestBlock().getIndex()+1));
		tsaList.add(tsa2);
		
		// 定義每次哈希函數(shù)的結(jié)果 
		String newBlockHash = "";
		int nonce = 0;
		long start = System.currentTimeMillis();
		System.out.println("開始挖礦");
		while (true) {
			// 計(jì)算新區(qū)塊hash值
			newBlockHash = blockService.calculateHash(blockCache.getLatestBlock().getHash(), tsaList, nonce);
			// 校驗(yàn)hash值
			if (blockService.isValidHash(newBlockHash)) {
				System.out.println("挖礦完成，正確的hash值：" + newBlockHash);
				System.out.println("挖礦耗費(fèi)時(shí)間：" + (System.currentTimeMillis() - start) + "ms");
				break;
			}
			System.out.println("第"+(nonce+1)+"次嘗試計(jì)算的hash值：" + newBlockHash);
			nonce++;
		}
		// 創(chuàng)建新的區(qū)塊
		Block block = blockService.createNewBlock(nonce, blockCache.getLatestBlock().getHash(), newBlockHash, tsaList);
		return block;
	}
	
  /**
	 * 驗(yàn)證hash值是否滿足系統(tǒng)條件
	 * 暫定前4位是0則滿足條件
	 * @param hash
	 * @return
	 */
	public boolean isValidHash(String hash) {
		//System.out.println("難度系數(shù)："+blockCache.getDifficulty());
		return hash.startsWith("0000");
	}
}

第二步，編寫測試共識機(jī)制服務(wù)的Controller類方法：
BlockController.java 

/**
	 * 工作量證明PoW
	 * 挖礦生成新的區(qū)塊 
	 */
	@GetMapping("/mine")
	@ResponseBody
	public String createNewBlock() {
		powService.mine();
		return JSON.toJSONString(blockCache.getBlockChain());
	}

第三步，啟動(dòng)系統(tǒng)，進(jìn)行測試。

首先執(zhí)行http://localhost:8080/create方法，生成創(chuàng)世區(qū)塊。

其次調(diào)用http://localhost:8080/mine方法進(jìn)行工作量計(jì)算證明，生成新的區(qū)塊，并添加到本地區(qū)塊鏈中：

我們來看一下，系統(tǒng)后臺計(jì)算的過程，此次計(jì)算共花費(fèi)1048ms計(jì)算出滿足條件的Hash值，共計(jì)算4850次：

至此，我們實(shí)現(xiàn)了一個(gè)簡單的工作量證明機(jī)制，并在當(dāng)前區(qū)塊鏈系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)上運(yùn)行，完成了正確結(jié)果的計(jì)算，生成了一個(gè)新的區(qū)塊。

接下來我們將會(huì)開發(fā)一個(gè)P2P網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)多個(gè)節(jié)點(diǎn)的同時(shí)運(yùn)行，當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)挖礦完成后，通過P2P網(wǎng)絡(luò)廣播給其他節(jié)點(diǎn)，其他節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證通過后，會(huì)把新產(chǎn)生的區(qū)塊添加到自己的區(qū)塊鏈上，進(jìn)而保證整個(gè)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)所有節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)一致性。

（4）P2P網(wǎng)絡(luò)開發(fā)

前面我們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基本的區(qū)塊鏈系統(tǒng)，并且實(shí)現(xiàn)了PoW工作量證明共識機(jī)制，通過挖礦計(jì)算出正確的結(jié)果同時(shí)生成一個(gè)新的區(qū)塊添加到區(qū)塊鏈中，但是這些都是基于單節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行，實(shí)際的區(qū)塊鏈?zhǔn)怯卸鄠€(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)運(yùn)行的分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，所有節(jié)點(diǎn)同時(shí)計(jì)算搶奪記賬權(quán)，共同維護(hù)一條完整的區(qū)塊鏈。

接下來我們基于Java的WebSocket實(shí)現(xiàn)一個(gè)Peer-to-Peer網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)多個(gè)節(jié)點(diǎn)間的相互通信，通過本章節(jié)，我們將要實(shí)現(xiàn)以下功能：

  - 創(chuàng)建一個(gè)基于java的p2p網(wǎng)絡(luò)
  - 運(yùn)行多個(gè)節(jié)點(diǎn)，且多個(gè)節(jié)點(diǎn)通過p2p網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)同步區(qū)塊信息
  - 一個(gè)節(jié)點(diǎn)挖礦生成新的區(qū)塊后，自動(dòng)廣播給其他所有節(jié)點(diǎn)
  - 每個(gè)節(jié)點(diǎn)在接收到其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送的區(qū)塊內(nèi)容后，進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證通過添加到本地區(qū)塊鏈上
  - 在自我節(jié)點(diǎn)查看整個(gè)區(qū)塊鏈內(nèi)容

開發(fā)測試本章節(jié)的功能，我們最好準(zhǔn)備兩臺電腦或者虛擬機(jī)，再或者Docker集群環(huán)境也可以，便于多節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行測試。如果只有一臺電腦也可以，各個(gè)節(jié)點(diǎn)運(yùn)行的端口號設(shè)置為不相同即可。

第一步，開發(fā)思路整理

目前我們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了單節(jié)點(diǎn)的區(qū)塊生成，那么我們接下來只需要實(shí)現(xiàn)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的消息同步即可。

首先，通過java代碼實(shí)現(xiàn)p2p網(wǎng)絡(luò)的server端和client端，每個(gè)節(jié)點(diǎn)既是服務(wù)端也是客戶端。

然后，一個(gè)節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)時(shí)，會(huì)尋找區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)上的有效節(jié)點(diǎn)，并建立socket連接（BTC網(wǎng)絡(luò)可以通過使用“DNS”種子方式獲取BTC有效節(jié)點(diǎn)，DNS種子提供比特幣節(jié)點(diǎn)的IP地址列表），我們直接把節(jié)點(diǎn)列表配置到application.yml文件中。

接著，從連接上的節(jié)點(diǎn)獲取最新的區(qū)塊信息，如果當(dāng)前節(jié)點(diǎn)首次運(yùn)行，則獲取整個(gè)區(qū)塊鏈信息，并替換到本地。

之后，各個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)挖礦計(jì)算，哪個(gè)節(jié)點(diǎn)先計(jì)算完成，就把生成的新區(qū)塊全網(wǎng)廣播給其他所有節(jié)點(diǎn)（實(shí)際的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)一直在計(jì)算，我們?yōu)榱吮阌跍y試，手動(dòng)觸發(fā)一個(gè)節(jié)點(diǎn)挖礦產(chǎn)生區(qū)塊，然后全網(wǎng)廣播給其他所有節(jié)點(diǎn)）。

最后，當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)收到廣播內(nèi)容后，對接收到的新區(qū)塊進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證通過后添加到本地區(qū)塊鏈上，驗(yàn)證的首要條件是新區(qū)塊的高度必須比本地的區(qū)塊鏈高度要高。

第二步，先實(shí)現(xiàn)P2P網(wǎng)絡(luò)server端

新建一個(gè)P2PServer類，并添加一個(gè)初始化server端的方法：
P2PServer.java

/**
 * p2p服務(wù)端
 * 
 * @author Jared Jia
 *
 */
@Component
public class P2PServer {

	@Autowired
	P2PService p2pService;

	public void initP2PServer(int port) {
		WebSocketServer socketServer = new WebSocketServer(new InetSocketAddress(port)) {

			/**
			 * 連接建立后觸發(fā)
			 */
			@Override
			public void onOpen(WebSocket webSocket, ClientHandshake clientHandshake) {
				p2pService.getSockets().add(webSocket);
			}

			/**
			 * 連接關(guān)閉后觸發(fā)
			 */
			@Override
			public void onClose(WebSocket webSocket, int i, String s, boolean b) {
				p2pService.getSockets().remove(webSocket);
				System.out.println("connection closed to address:" + webSocket.getRemoteSocketAddress());
			}

			/**
			 * 接收到客戶端消息時(shí)觸發(fā)
			 */
			@Override
			public void onMessage(WebSocket webSocket, String msg) {
				//作為服務(wù)端，業(yè)務(wù)邏輯處理
				p2pService.handleMessage(webSocket, msg, p2pService.getSockets());
			}

			/**
			 * 發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)觸發(fā)
			 */
			@Override
			public void onError(WebSocket webSocket, Exception e) {
				p2pService.getSockets().remove(webSocket);
				System.out.println("connection failed to address:" + webSocket.getRemoteSocketAddress());
			}

			@Override
			public void onStart() {

			}

		};
		socketServer.start();
		System.out.println("listening websocket p2p port on: " + port);
	}
}

第三步，實(shí)現(xiàn)P2P網(wǎng)絡(luò)client端
P2PClient.java

/**
 * p2p客戶端
 * 
 * @author Jared Jia
 *
 */
@Component
public class P2PClient {
	
	@Autowired
	P2PService p2pService;

	public void connectToPeer(String addr) {
		try {
			final WebSocketClient socketClient = new WebSocketClient(new URI(addr)) {
				@Override
				public void onOpen(ServerHandshake serverHandshake) {
					//客戶端發(fā)送請求，查詢最新區(qū)塊
					p2pService.write(this, p2pService.queryLatestBlockMsg());
					p2pService.getSockets().add(this);
				}

				/**
				 * 接收到消息時(shí)觸發(fā)
				 * @param msg
				 */
				@Override
				public void onMessage(String msg) {
					p2pService.handleMessage(this, msg, p2pService.getSockets());
				}

				@Override
				public void onClose(int i, String msg, boolean b) {
					p2pService.getSockets().remove(this);
					System.out.println("connection closed");
				}

				@Override
				public void onError(Exception e) {
					p2pService.getSockets().remove(this);
					System.out.println("connection failed");
				}
			};
			socketClient.connect();
		} catch (URISyntaxException e) {
			System.out.println("p2p connect is error:" + e.getMessage());
		}
	}
}

第四步，定義P2P網(wǎng)絡(luò)同步的消息模型

同步的消息模型，我們定義為四類，分別是：

BlockConstant.java

  // 查詢最新的區(qū)塊
	public final static int QUERY_LATEST_BLOCK = 1;

	// 返回最新的區(qū)塊
	public final static int RESPONSE_LATEST_BLOCK = 2;

	// 查詢整個(gè)區(qū)塊鏈
	public final static int QUERY_BLOCKCHAIN = 3;

	// 返回整個(gè)區(qū)塊鏈
	public final static int RESPONSE_BLOCKCHAIN = 4;

定義一個(gè)各個(gè)節(jié)點(diǎn)間傳遞的消息模型：
Message.java

/**
 * p2p通訊消息
 *
 * @author Jared Jia
 * 
 */
public class Message implements Serializable {
	
		private static final long serialVersionUID = 1L;
    /**
     * 消息類型
     */
    private int type;
    /**
     * 消息內(nèi)容
     */
    private String data;
    
    /****set get方法省略****/
    
  }

第五步，實(shí)現(xiàn)向其他節(jié)點(diǎn)廣播的方法

新建一個(gè)p2p網(wǎng)絡(luò)服務(wù)類，向外發(fā)送消息，或者處理當(dāng)前節(jié)點(diǎn)收到其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送的請求。
P2PService.java

/**
	 * 全網(wǎng)廣播消息
	 * @param message
	 */
	public void broatcast(String message) {
		List<WebSocket> socketsList = this.getSockets();
		if (CollectionUtils.isEmpty(socketsList)) {
			return;
		}
		System.out.println("======全網(wǎng)廣播消息開始：");
		for (WebSocket socket : socketsList) {
			this.write(socket, message);
		}
		System.out.println("======全網(wǎng)廣播消息結(jié)束");
	}

 第六步，開發(fā)消息處理路由

第五步中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了向外發(fā)送消息，本步驟實(shí)現(xiàn)接收消息。
首先設(shè)計(jì)一個(gè)服務(wù)端和客戶端共用的消息路由，來分發(fā)消息給對應(yīng)的處理單元。
P2PService.java

/**
	 * 客戶端和服務(wù)端共用的消息處理方法
	 * @param webSocket
	 * @param msg
	 * @param sockets
	 */
	public void handleMessage(WebSocket webSocket, String msg, List<WebSocket> sockets) {
		try {
			Message message = JSON.parseObject(msg, Message.class);
			System.out.println("接收到IP地址為：" +webSocket.getRemoteSocketAddress().getAddress().toString()
					+"，端口號為："+ webSocket.getRemoteSocketAddress().getPort() + "的p2p消息："
			        + JSON.toJSONString(message));
			switch (message.getType()) {
			//客戶端請求查詢最新的區(qū)塊:1
			case BlockConstant.QUERY_LATEST_BLOCK:
				write(webSocket, responseLatestBlockMsg());//服務(wù)端調(diào)用方法返回最新區(qū)塊:2
				break;
			//接收到服務(wù)端返回的最新區(qū)塊:2
			case BlockConstant.RESPONSE_LATEST_BLOCK:
				handleBlockResponse(message.getData(), sockets);
				break;
			//客戶端請求查詢整個(gè)區(qū)塊鏈:3
			case BlockConstant.QUERY_BLOCKCHAIN:
				write(webSocket, responseBlockChainMsg());//服務(wù)端調(diào)用方法返回最新區(qū)塊:4
				break;
			//直接接收到其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送的整條區(qū)塊鏈信息:4
			case BlockConstant.RESPONSE_BLOCKCHAIN:
				handleBlockChainResponse(message.getData(), sockets);
				break;
			}
		} catch (Exception e) {
			System.out.println("處理IP地址為：" +webSocket.getRemoteSocketAddress().getAddress().toString()
				+"，端口號為："+ webSocket.getRemoteSocketAddress().getPort() + "的p2p消息錯(cuò)誤:" 
				+ e.getMessage());
		}
	}

第七步，開發(fā)消息處理單元

有了消息路由之后，接著編寫不同的處理單元，處理其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送來的區(qū)塊或者區(qū)塊鏈信息，總體原則是：先校驗(yàn)其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送來的區(qū)塊或者區(qū)塊鏈的有效性，然后判斷它們的高度比當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的區(qū)塊鏈高度要高，如果高則替換本地的區(qū)塊鏈，或者把新區(qū)塊添加到本地區(qū)塊鏈上。
P2PService.java

/**
	 * 處理其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的區(qū)塊信息
	 * @param blockData
	 * @param sockets
	 */
	public synchronized void handleBlockResponse(String blockData, List<WebSocket> sockets) {
		//反序列化得到其它節(jié)點(diǎn)的最新區(qū)塊信息
		Block latestBlockReceived = JSON.parseObject(blockData, Block.class);
		//當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的最新區(qū)塊
		Block latestBlock = blockCache.getLatestBlock();
		
		if (latestBlockReceived != null) {
			if(latestBlock != null) {
				//如果接收到的區(qū)塊高度比本地區(qū)塊高度大的多
				if(latestBlockReceived.getIndex() > latestBlock.getIndex() + 1) {
					broatcast(queryBlockChainMsg());
					System.out.println("重新查詢所有節(jié)點(diǎn)上的整條區(qū)塊鏈");
				}else if (latestBlockReceived.getIndex() > latestBlock.getIndex() && 
						latestBlock.getHash().equals(latestBlockReceived.getPreviousHash())) {
					if (blockService.addBlock(latestBlockReceived)) {
						broatcast(responseLatestBlockMsg());
					}
					System.out.println("將新接收到的區(qū)塊加入到本地的區(qū)塊鏈");
				}
			}else if(latestBlock == null) {
				broatcast(queryBlockChainMsg());
				System.out.println("重新查詢所有節(jié)點(diǎn)上的整條區(qū)塊鏈");
			}
		}
	}
	
	/**
	 * 處理其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的區(qū)塊鏈信息
	 * @param blockData
	 * @param sockets
	 */
	public synchronized void handleBlockChainResponse(String blockData, List<WebSocket> sockets) {
		//反序列化得到其它節(jié)點(diǎn)的整條區(qū)塊鏈信息
		List<Block> receiveBlockchain = JSON.parseArray(blockData, Block.class);
		if(!CollectionUtils.isEmpty(receiveBlockchain) && blockService.isValidChain(receiveBlockchain)) {
			//根據(jù)區(qū)塊索引先對區(qū)塊進(jìn)行排序
			Collections.sort(receiveBlockchain, new Comparator<Block>() {
				public int compare(Block block1, Block block2) {
					return block1.getIndex() - block2.getIndex();
				}
			});
			
			//其它節(jié)點(diǎn)的最新區(qū)塊
			Block latestBlockReceived = receiveBlockchain.get(receiveBlockchain.size() - 1);
			//當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的最新區(qū)塊
			Block latestBlock = blockCache.getLatestBlock();
			
			if(latestBlock == null) {
				//替換本地的區(qū)塊鏈
				blockService.replaceChain(receiveBlockchain);
			}else {
				//其它節(jié)點(diǎn)區(qū)塊鏈如果比當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的長，則處理當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的區(qū)塊鏈
				if (latestBlockReceived.getIndex() > latestBlock.getIndex()) {
					if (latestBlock.getHash().equals(latestBlockReceived.getPreviousHash())) {
						if (blockService.addBlock(latestBlockReceived)) {
							broatcast(responseLatestBlockMsg());
						}
						System.out.println("將新接收到的區(qū)塊加入到本地的區(qū)塊鏈");
					} else {
						// 用長鏈替換本地的短鏈
						blockService.replaceChain(receiveBlockchain);
					}
				}
			}
		}
	}

3、完整系統(tǒng)運(yùn)行與測試

第一步，打包生成測試用的可執(zhí)行jar包

準(zhǔn)備兩臺機(jī)器（虛擬機(jī)或者Docker集群都行），同時(shí)運(yùn)行兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)信息如下： 

 通過mvn package -Dmaven.test.skip=true命令對工程進(jìn)行打包，生成可直接運(yùn)行的jar包，打包前對工程進(jìn)行配置，配置信息如下圖：
節(jié)點(diǎn)Node1打包：

 節(jié)點(diǎn)Node2打包：

分別打包之后，生成兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的可執(zhí)行jar包，如下：

把兩個(gè)jar包分別放在對應(yīng)IP的windows機(jī)器上，打開命令行模式，進(jìn)入jar所在文件夾，分別執(zhí)行以下命令運(yùn)行兩個(gè)節(jié)點(diǎn)：
java -jar dce-blockchain-node1.jar
java -jar dce-blockchain-node2.jar

啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)2的時(shí)候，可以看到后臺日志，已經(jīng)連接上節(jié)點(diǎn)1，如下圖所示： 

第二步，對兩個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行測試

首先，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)后，用postman分別執(zhí)行http://192.168.0.104:8080/scan和http://192.168.0.112:8090/scan請求，可以看到兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的區(qū)塊鏈內(nèi)容都為空。

然后，在節(jié)點(diǎn)1上分別執(zhí)行http://192.168.0.104:8080/create和http://192.168.0.104:8080/mine請求，來生成創(chuàng)世區(qū)塊，以及通過挖礦產(chǎn)生第二個(gè)區(qū)塊，執(zhí)行后查看節(jié)點(diǎn)1的區(qū)塊鏈信息如下：
執(zhí)行http://192.168.0.104:8080/scan結(jié)果：

[
    {
        "hash": "5303d2990c139992bdb5a22aa1dac4f2719755304e45bac03ca4a1f1688c909e",
        "index": 1,
        "nonce": 1,
        "timestamp": 1581064647736,
        "transactions": [
            {
                "businessInfo": "這是創(chuàng)世區(qū)塊",
                "id": "1"
            },
            {
                "businessInfo": "區(qū)塊鏈高度為：1",
                "id": "2"
            }
        ]
    },
    {
        "hash": "0000de5eea0c20c2e7d06220bc023886e88dd8784eaa2fd2d1d6c5e581061d85",
        "index": 2,
        "nonce": 4850,
        "previousHash": "5303d2990c139992bdb5a22aa1dac4f2719755304e45bac03ca4a1f1688c909e",
        "timestamp": 1581064655139,
        "transactions": [
            {
                "businessInfo": "這是IP為：192.168.0.104，端口號為：7001的節(jié)點(diǎn)挖礦生成的區(qū)塊",
                "id": "1"
            },
            {
                "businessInfo": "區(qū)塊鏈高度為：2",
                "id": "2"
            }
        ]
    }
]

最后，我們來驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)2是否已經(jīng)完成了節(jié)點(diǎn)1生成的區(qū)塊鏈信息的網(wǎng)絡(luò)同步，Postman執(zhí)行http://192.168.0.112:8090/scan請求，查看返回結(jié)果：

從結(jié)果可以看到，區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)2已經(jīng)接收到節(jié)點(diǎn)1發(fā)送的區(qū)塊鏈信息，系統(tǒng)日志如下：

反過來，我們在節(jié)點(diǎn)2上再執(zhí)行一次挖礦操作，可以看到節(jié)點(diǎn)1上，已經(jīng)接收到節(jié)點(diǎn)2挖礦新產(chǎn)生的區(qū)塊信息，并添加到節(jié)點(diǎn)1的區(qū)塊鏈上：

至此，我們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)完整的小型區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)，并實(shí)現(xiàn)各個(gè)節(jié)點(diǎn)間的通信，多個(gè)節(jié)點(diǎn)共同維護(hù)同一個(gè)區(qū)塊鏈信息。

結(jié)語：

區(qū)塊鏈系統(tǒng)非常龐大，涉及方方面面的技術(shù)，本人所演示的代碼主要對區(qū)塊鏈基礎(chǔ)的一些概念進(jìn)行了詮釋，感興趣的同學(xué)，還可以在此基礎(chǔ)上繼續(xù)開發(fā)，來實(shí)現(xiàn)例如持久層、消息的加密解密、系統(tǒng)賬戶模型、預(yù)言機(jī)、側(cè)鏈技術(shù)以及智能合約等區(qū)塊鏈系統(tǒng)功能。

寫給每個(gè)區(qū)塊鏈技術(shù)人員：

目前市面上流行的企業(yè)級區(qū)塊鏈框架，例如超級賬本Fabric都是國外人員在主導(dǎo)，而我們國內(nèi)除了幾家大廠外，其他很多區(qū)塊鏈公司基本都是把人家的東西拿過來進(jìn)行二次封裝，然后對外聲稱自己公司已經(jīng)掌握了區(qū)塊鏈核心技術(shù)，并對企業(yè)提供服務(wù)，這是一種不好的現(xiàn)象。大家可以想想我們現(xiàn)在用的開發(fā)語言、框架有幾個(gè)真正是國產(chǎn)的，我們再聯(lián)想一下前段時(shí)間中興、華為被人家核心技術(shù)卡脖子事件，就知道我們要做的事情有很多，我們需要去除浮躁，靜下心來好好研究底層核心技術(shù)，這樣才能實(shí)現(xiàn)真正的“彎道超車”！

三、源代碼與參考文獻(xiàn)

1、本文完整源代碼地址

https://gitee.com/luckytuan/dce-blockchain

到此這篇關(guān)于基于java開發(fā)一套完整的區(qū)塊鏈系統(tǒng)詳細(xì)教程（附源碼）的文章就介紹到這了,更多相關(guān)區(qū)塊鏈系統(tǒng)教程分享內(nèi)容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章，希望大家以后多多支持腳本之家！

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