用Java实现一个简单的区块链

前面的文章,笔者花了不少的文字来介绍区块链的基础概念,以太坊的概念和开发,大家是否感觉区块链开发还是挺复杂的呢。但其实区块链技术本质就是一个分布式账本,在技术上本质就是一个链表。链表里面有一个个的区块,每个区块有自己的数字签名(涉及到加密技术)和交易数据和一些其他的数据,然后把一堆区块串起来就是区块链,同时把区块数据能够进行广播,基本上就完成一个最简单的区块链系统。

那么今天,笔者用java开发语言来简单实现一个简易版的区块链。

首先,定义好区块的结构,我们先回顾下一个区块有哪些信息:

  1. 区块hash
  2. 上一个区块hash
  3. 时间戳
  4. 交易信息列表

其中交易信息(以UTXO模型为例)包括以下信息:

  1. 交易hash
  2. 交易发送者
  3. 交易接受者
  4. 时间戳
  5. 交易额
  6. 签名
  7. 交易输入
  8. 交易输出

OK,回顾完了区块的数据内容,我们用Java代码编写出来数据结构,很明显我们需要定义两个Java对象:交易和区块。

看下面的代码

交易类:Transaction

public class Transaction {

    public String transactionHash; //交易hash
    public PublicKey sender; //发送这地址
    public PublicKey receiver; //接受者地址
    public double value;  //交易额
    public byte[] signature; //签名数据
    public long timeStamp; //时间戳

    public ArrayList<TransactionInput> inputs = new ArrayList<TransactionInput>(); //交易输入
    public ArrayList<TransactionOutput> outputs = new ArrayList<TransactionOutput>(); //交易输出
}

区块类:Block

public class Block {
   
   public String hash;
   public String previousHash; 
   public List<Transaction> data; //交易列表
   public long timeStamp; //时间戳
 
   
}

交易输出类:定义UTXO中的交易输出

public class TransactionOutput {
    public String id;
    public PublicKey receiver; //
    public double value; //接受者的拥有的余额
    public String parentTransactionHash; //产生该交易输出的交易hash

    
    public TransactionOutput(PublicKey receiver, float value, String parentTransactionHash) {
        this.receiver = receiver;
        this.value = value;
        this.parentTransactionHash = parentTransactionHash;
        this.id = StringUtil.applySha256(StringUtil.getStringFromKey(receiver)+Float.toString(value)+parentTransactionHash);
    }

交易输入类:

public class TransactionInput {
    public String transactionOutputId; //交易输出的id
    public TransactionOutput UTXO; //Contains the Unspent transaction output

    public TransactionInput(String transactionOutputId) {
        this.transactionOutputId = transactionOutputId;
    }
}

钱包类:
钱包包括公钥和私钥,已经余额

public class Wallet {

    public PrivateKey privateKey;
    public PublicKey publicKey;

    public HashMap<String,TransactionOutput> UTXOs = new HashMap<String,TransactionOutput>();

    public Wallet() {
        generateKeyPair();
    }

    public void generateKeyPair() {
        try {
            KeyPairGenerator keyGen = KeyPairGenerator.getInstance("ECDSA","BC");
            SecureRandom random = SecureRandom.getInstance("SHA1PRNG");
            ECGenParameterSpec ecSpec = new ECGenParameterSpec("prime192v1");
            // Initialize the key generator and generate a KeyPair
            keyGen.initialize(ecSpec, random); //256
            KeyPair keyPair = keyGen.generateKeyPair();
            // Set the public and private keys from the keyPair
            privateKey = keyPair.getPrivate();
            publicKey = keyPair.getPublic();

        }catch(Exception e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }

    public float getBalance() {
        float total = 0;
        for (Map.Entry<String, TransactionOutput> item: NoobChain.UTXOs.entrySet()){
            TransactionOutput UTXO = item.getValue();
            if(UTXO.isMine(publicKey)) { //if output belongs to me ( if coins belong to me )
                UTXOs.put(UTXO.id,UTXO); //add it to our list of unspent transactions.
                total += UTXO.value ;
            }
        }
        return total;
    }

    public Transaction sendFunds(PublicKey _recipient,float value ) {
        if(getBalance() < value) {
            System.out.println("#Not Enough funds to send transaction. Transaction Discarded.");
            return null;
        }
        ArrayList<TransactionInput> inputs = new ArrayList<TransactionInput>();

        float total = 0;
        for (Map.Entry<String, TransactionOutput> item: UTXOs.entrySet()){
            TransactionOutput UTXO = item.getValue();
            total += UTXO.value;
            inputs.add(new TransactionInput(UTXO.id));
            if(total > value) break;
        }

        Transaction newTransaction = new Transaction(publicKey, _recipient , value, inputs);
        newTransaction.generateSignature(privateKey);

        for(TransactionInput input: inputs){
            UTXOs.remove(input.transactionOutputId);
        }

        return newTransaction;
    }
}

加密工具类:

public class StringUtil {

    public static String applySha256(String input) {
        try {
            MessageDigest digest = MessageDigest.getInstance("SHA-256");
            byte[] hash = digest.digest(input.getBytes("UTF-8"));
            StringBuffer hexString = new StringBuffer();
            for (int i = 0; i < hash.length; i++) {
                String hex = Integer.toHexString(0xff & hash[i]);
                if (hex.length() == 1) hexString.append('0');
                hexString.append(hex);
            }
            return hexString.toString();
        } catch (Exception e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }


    //Applies ECDSA Signature and returns the result ( as bytes ).
    public static byte[] applyECDSASig(PrivateKey privateKey, String input) {
        Signature dsa;
        byte[] output = new byte[0];
        try {
            dsa = Signature.getInstance("ECDSA", "BC");
            dsa.initSign(privateKey);
            byte[] strByte = input.getBytes();
            dsa.update(strByte);
            byte[] realSig = dsa.sign();
            output = realSig;
        } catch (Exception e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
        return output;
    }

    //Verifies a String signature
    public static boolean verifyECDSASig(PublicKey publicKey, String data, byte[] signature) {
        try {
            Signature ecdsaVerify = Signature.getInstance("ECDSA", "BC");
            ecdsaVerify.initVerify(publicKey);
            ecdsaVerify.update(data.getBytes());
            return ecdsaVerify.verify(signature);
        }catch(Exception e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }    

}

这个工具类里面就包括我们所需要生成数字签名函数,有很多种的加密算法来生成数字签名。这里我们就选择SHA256。

定义完成了基本的数据结果,我们编写一个main函数跑起来。

public class NoobChain {
    public static ArrayList<Block> blockchain = new ArrayList<Block>();
    public static HashMap<String,TransactionOutput> UTXOs = new HashMap<String,TransactionOutput>();

    public static int difficulty = 3;
    public static float minimumTransaction = 0.1f;
    public static Wallet walletA;
    public static Wallet walletB;
    public static Transaction genesisTransaction;

    public static void main(String[] args) {
        //add our blocks to the blockchain ArrayList:
        Security.addProvider(new org.bouncycastle.jce.provider.BouncyCastleProvider()); //Setup Bouncey castle as a Security Provider

        //Create wallets:
        walletA = new Wallet();
        walletB = new Wallet();
        Wallet coinbase = new Wallet();

        //create genesis transaction, which sends 100 NoobCoin to walletA:
        genesisTransaction = new Transaction(coinbase.publicKey, walletA.publicKey, 100f, null);
        genesisTransaction.generateSignature(coinbase.privateKey);   //manually sign the genesis transaction
        genesisTransaction.transactionId = "0"; //manually set the transaction id
        genesisTransaction.outputs.add(new TransactionOutput(genesisTransaction.reciepient, genesisTransaction.value, genesisTransaction.transactionId)); //manually add the Transactions Output
        UTXOs.put(genesisTransaction.outputs.get(0).id, genesisTransaction.outputs.get(0)); //its important to store our first transaction in the UTXOs list.

        System.out.println("Creating and Mining Genesis block... ");
        Block genesis = new Block("0");
        genesis.addTransaction(genesisTransaction);
        addBlock(genesis);

        //testing
        Block block1 = new Block(genesis.hash);
        System.out.println("\nWalletA's balance is: " + walletA.getBalance());
        System.out.println("\nWalletA is Attempting to send funds (40) to WalletB...");
        block1.addTransaction(walletA.sendFunds(walletB.publicKey, 40f));
        addBlock(block1);
        System.out.println("\nWalletA's balance is: " + walletA.getBalance());
        System.out.println("WalletB's balance is: " + walletB.getBalance());

        Block block2 = new Block(block1.hash);
        System.out.println("\nWalletA Attempting to send more funds (1000) than it has...");
        block2.addTransaction(walletA.sendFunds(walletB.publicKey, 1000f));
        addBlock(block2);
        System.out.println("\nWalletA's balance is: " + walletA.getBalance());
        System.out.println("WalletB's balance is: " + walletB.getBalance());

        Block block3 = new Block(block2.hash);
        System.out.println("\nWalletB is Attempting to send funds (20) to WalletA...");
        block3.addTransaction(walletB.sendFunds( walletA.publicKey, 20));
        System.out.println("\nWalletA's balance is: " + walletA.getBalance());
        System.out.println("WalletB's balance is: " + walletB.getBalance());

        isChainValid();

    }
}
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