区块链的原理与应用? -1

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区块链的原理与应用? -1

ykmimi.com 2019-07-02 11:28:33 浏览471

读完了 <区块链 领导干部读本> , 以及看了一部分<区块链原理,设计与应用>,
通过对区块链的一些了解跟随网络博客完成demo

创建区块链
区块链就是一串或者是一系列区块的集合,类似于链表的概念,每个区块都指向于后面一个区块,然后顺序的连接在一起. 那么每个区块中内容是? 区块链中的每一个区块都存放了很多有价值的信息, 只要包括3个部分 : 自己的数字签名, 上一个区块的数字签名, 还有一切需要加密的数据 ( 这些数据在比特币中就相当于是交易的信息,它是加密货币的本质). 每个数字签名不但证明了自己是特有的一个区块, 而且指向了前一个区块的来源,让所有的区块在链条中可以串起来,而数据就是一些特定的信息, 你可以按照业务逻辑来保存业务数据.

block

这里的hash指的就是数字签名
所以每一个区块不仅包含前一个区块的hash值, 同时包含自身的一个hash值, 自身的hash值是通过之前的hash值和数据data通过hash计算出来的. 如果前一个区块的数据一旦被篡改了, 那么前一个区块的hash值也会同样发生变化 (因为数据也被计算在内) ,这样也就导致了所有后续的区块中的hash值, 所以计算和对比hash值会让我们检查到当前的区块链是否是有效的, 也就避免了数据被恶意篡改的可能性, 因为篡改数据就会改变hash值并破坏整个区块链.

定义区块链的类Block:

package com.sha256.sha256.bean;

import lombok.AllArgsConstructor;
import lombok.Data;
import lombok.NoArgsConstructor;

import java.util.Date;

Data
@NoArgsConstructor
@AllArgsConstructor
public class Block {

    private String hash; // our signature
    private String previousHash; // the hash of previous block
    private String data; //our data will be a simple message.
    private long timeStamp; //as number of milliseconds since 1/1/1970.

    //Block Constructor
    public Block(String data,String previousHash){
        this.data = data;
        this.previousHash = previousHash;
        this.timeStamp = new Date().getTime();
    }
}

String hash是我们的数字签名, 变量previousHash保存前一个区块的hash值, String data是保存我们区块的数据(比如交易转账信息).

创建数字签名

熟悉加密算法的朋友,Java方式可以实现的加密方式很多, 例如BASE, MD, RSA ,SHA 等等, 我在这里选用了SHA256这种加密方式, SHA ( Secure Hash Algorithm ) 安全散列算法, 这种算法的特点是数据的少量更改会在Hash值中产生不可预知的大量更改, hash值用作表示大量数据的固定大小的唯一值, 而SHA256算法的hash值大小为256位. 之所以选用SHA256是因为它的大小正合适, 一方面产生重复hash值的可能性很小, 另一方面在区块链实际应用过程中, 有可能会产生大量的区块, 而使得信息量很大, 那么256位的大小就比较恰当了.

密码学与安全技术

节选<区块链原理,设计与应用>
测试SHA256加密:

package com.sha256.sha256.test;

import com.sha256.sha256.utils.SHA256Util;

public class TestSHA256 {

    public static void main(String[] args) {
        String message0 = "我是要被加密的信息";
        String message1 = "我是要被加密的信息";
        String message2 = "我是要被加密的信息.";
        String encryptionMessage0 = SHA256Util.applySha256(message0);
        String encryptionMessage1 = SHA256Util.applySha256(message1);
        String encryptionMessage2 = SHA256Util.applySha256(message2);
        System.out.println(encryptionMessage0);
        System.out.println(encryptionMessage1);
        System.out.println(encryptionMessage2);
    }
}

输出:
2d7641299aba44f11e8b567dc55f9a45c5218e20bdb65d1306020bfb09fe2f31
2d7641299aba44f11e8b567dc55f9a45c5218e20bdb65d1306020bfb09fe2f31
2a6588b9fd3b412176b4cf499c23f1aa06b35843e6082ca0ab2227f4129bc805
Hash算法与数字摘要:
Hash定义:
Hash(哈希或散列)算法是非常基础也非常重要的计算机算法,它能将任意长度的二进制明文串映射为较短的(通常是固定长度的)二进制串(Hash值), 并且不同的明文很难映射为相同的Hash值.

这意味着对于某个文件,无需查看其内容,只要其SHA-256 Hash计算后结果同样为:
2d7641299aba44f11e8b567dc55f9a45c5218e20bdb65d1306020bfb09fe2f31,
则说明文件内容极大概率上就是 –> 我是要被加密的信息 几个字.

Hash值在应用中又常被称为指纹(fingerprint)或摘要(digest). Hash算法的核心思想也经常被应用到基于内容的编址或命名算法中.

一个优秀的Hash算法将能实现如下功能:

正向快速 : 给定明文和Hash算法, 在有限时间和有限资源内能计算得到Hash值.
逆向困难 : 给定(若干)Hash值, 在有限时间内很难(基本不可能)逆推出明文;
输入敏感 : 原始输入信息发生任何改变,新产生的Hahs值都应该出现很大不同;(见上面的三个字符串的比较)
冲突避免 : 很难找到两端内容不同的明文,使得它们的Hash值一致(发生碰撞).
冲突避免有时候又称为”抗碰撞性”, 分为”弱抗碰撞性”和”强抗碰撞性”. 如果给定明文前提下, 无法找到与之碰撞的其他明文, 则算法具有”弱抗碰撞性”, 如果无法找到任意两个发生Hash碰撞的明文, 则称算法具有”强抗碰撞性”.

很多场景下,也往往要求算法对于任意长的输入内容,可以输入定长的Hash值结果.

常见算法

Hash算法和MD5等

加密安全

提示: MD5是一个经典的Hash算法,和SHA-1算法一起都被认为安全性已不足应用于商业场景.

调用工具类的SHA256算法:

package com.sha256.sha256.utils;

import java.io.UnsupportedEncodingException;
import java.security.MessageDigest;
import java.security.NoSuchAlgorithmException;

public class SHA256Util {
    //Applies SHA256 to a string and returns the result
    //SHA256 encryption
    public static String applySha256(String input){
        try {
            MessageDigest digest = MessageDigest.getInstance("SHA-256");
            //Applies sha256 to our input
            byte[] hash = digest.digest(input.getBytes("UTF-8"));
            //This will contain hash as hexidecimal
            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 (NoSuchAlgorithmException e) {
            e.printStackTrace();
            return null;
        } catch (UnsupportedEncodingException e) {
            e.printStackTrace();
            return null;
        }
    }
}

强化Block实体类:
对hash值进行赋值:

package com.sha256.sha256.bean;

import com.sha256.sha256.utils.SHA256Util;
import lombok.AllArgsConstructor;
import lombok.Data;
import lombok.NoArgsConstructor;

import java.util.Date;

@Data
@NoArgsConstructor
@AllArgsConstructor
public class Block {

    private String hash; // our signature
    private String previousHash; // the hash of previous block
    private String data; //our data will be a simple message.
    private long timeStamp; //as number of milliseconds since 1/1/1970.

    //Block Constructor
    public Block(String data,String previousHash){
        this.data = data;
        this.previousHash = previousHash;
        this.timeStamp = new Date().getTime();
        this.hash = SHA256Util.calculateHash(this); //Making sure we do this after we set the other values.
    }
}

同时在工具类中:
加入新的方法 calculateHash:

package com.sha256.sha256.utils;

import com.sha256.sha256.bean.Block;

import java.io.UnsupportedEncodingException;
import java.security.MessageDigest;
import java.security.NoSuchAlgorithmException;

public class SHA256Util {
    //Applies SHA256 to a string and returns the result
    //SHA256 encryption
    public static String applySha256(String input){
        try {
            MessageDigest digest = MessageDigest.getInstance("SHA-256");
            //Applies sha256 to our input
            byte[] hash = digest.digest(input.getBytes("UTF-8"));
            //This will contain hash as hexidecimal
            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 (NoSuchAlgorithmException e) {
            e.printStackTrace();
            return null;
        } catch (UnsupportedEncodingException e) {
            e.printStackTrace();
            return null;
        }
    }

    //calculate the hash use previoushash , timestamp , data
    public static String calculateHash(Block block){
        String calculateHash = SHA256Util.applySha256(block.getPreviousHash() + Long.toString(block.getTimeStamp()) + block.getData());
        return calculateHash;
    }

}

测试:

package com.sha256.sha256.test;

import com.sha256.sha256.bean.Block;
import com.sha256.sha256.utils.SHA256Util;

public class TestSHA256 {

    public static void main(String[] args) {
        //test1 测试三个被加密字符串 加密后的hash值的差别
        /**
         * 虽然第三条信息仅仅多一个".",但加密后的数据hash相差极大
         */
        String message0 = "我是要被加密的信息";
        String message1 = "我是要被加密的信息";
        String message2 = "我是要被加密的信息.";
        String encryptionMessage0 = SHA256Util.applySha256(message0);
        String encryptionMessage1 = SHA256Util.applySha256(message1);
        String encryptionMessage2 = SHA256Util.applySha256(message2);
        System.out.println(encryptionMessage0);
        System.out.println(encryptionMessage1);
        System.out.println(encryptionMessage2);

        //创建区块链逻辑, 因为第一个块没有上一个块的hash头部值,所以输入0 作为前一个块的previous hash
        /**
         * 由于在{@link SHA256Util#calculateHash(Block)}
         * 中对同时产生的new Date().getTime() (timestamp)
         * 也加入进行了hash加密,所以固有的message (data)及
         * previoushash之和进行了加密.
         */
        Block genesisBlock = new Block("这是第一个区块中的要被加密的信息和交易信息","0");
        String hash1 = genesisBlock.getHash();
        System.out.println("Hash for block 1 : "+hash1);

        Block secondBlock = new Block("这是第二个区块,以及其中信息!!!它的前区块头部hash我们拿上一个的来使用",hash1);
        String hash2 = secondBlock.getHash(); //
        System.out.println("Hash for block 2 : "+hash2);

        Block thirdBlock = new Block("这是第三个区块,它的hash应该已经被前两个的信息纳入进来了,它的hash如果对不上,那么说明前面的信息被改动过了",hash2);
        String hash3 = thirdBlock.getHash();
        System.out.println("Hash for block 3 : "+hash3);

    }
}

运行结果:

  • 由于在{@link SHA256Util#calculateHash(Block)}
  • 中对同时产生的new Date().getTime() (timestamp)
  • 也加入进行了hash加密,所以固有的message (data)及
  • previoushash之和进行了加密.

2d7641299aba44f11e8b567dc55f9a45c5218e20bdb65d1306020bfb09fe2f31
2d7641299aba44f11e8b567dc55f9a45c5218e20bdb65d1306020bfb09fe2f31
2a6588b9fd3b412176b4cf499c23f1aa06b35843e6082ca0ab2227f4129bc805
Hash for block 1 : cdb1bb85e8f2394f3cee57d82800f5413848fa6c981fefa0fd204497f853c8b4
Hash for block 2 : fad4bc33a9b9f5fc5053fe3583b6bf366be9ea518936ce37d58b916e2c4699be
Hash for block 3 : 558ff9aac60aea20da1936a78a863195cbe23748f08fa34219bb3abc66078b65
注意: 每次 Hash for block * 的产生的值是不同的,因为每次对timestamp进行了计算

每一个区块都必须要有自己的数据签名即hash值,这个hash值依赖于自身的信息(data)和上一个区块的数字签名(previousHash), 但这个还不是区块链, 下面让我们存储区块到数组中, 这里我会引入gson包, 目的是可以用json方式查看整个一条区块链结构.
看test3

package com.sha256.sha256.test;

import com.alibaba.fastjson.JSONArray;
import com.alibaba.fastjson.JSONObject;
import com.google.gson.GsonBuilder;
import com.sha256.sha256.bean.Block;
import com.sha256.sha256.utils.SHA256Util;

import java.util.ArrayList;

public class TestSHA256 {

    //声明一个区块链,用于添加Block实体
    public static ArrayList<Block> blockChain = new ArrayList<>();

    public static void main(String[] args) {
        //test1 测试三个被加密字符串 加密后的hash值的差别
        /**
         * 虽然第三条信息仅仅多一个".",但加密后的数据hash相差极大
         */
        String message0 = "我是要被加密的信息";
        String message1 = "我是要被加密的信息";
        String message2 = "我是要被加密的信息.";
        String encryptionMessage0 = SHA256Util.applySha256(message0);
        String encryptionMessage1 = SHA256Util.applySha256(message1);
        String encryptionMessage2 = SHA256Util.applySha256(message2);
        System.out.println(encryptionMessage0);
        System.out.println(encryptionMessage1);
        System.out.println(encryptionMessage2);

        //test2 创建区块链逻辑, 因为第一个块没有上一个块的hash头部值,所以输入0 作为前一个块的previous hash
        /**
         * 由于在{@link SHA256Util#calculateHash(Block)}
         * 中对同时产生的new Date().getTime() (timestamp)
         * 也加入进行了hash加密,所以固有的message (data)及
         * previoushash之和进行了加密.
         */
        Block genesisBlock = new Block("这是第一个区块中的要被加密的信息和交易信息","0");
        String hash1 = genesisBlock.getHash();
        System.out.println("Hash for block 1 : "+hash1);

        Block secondBlock = new Block("这是第二个区块,以及其中信息!!!它的前区块头部hash我们拿上一个的来使用",hash1);
        String hash2 = secondBlock.getHash(); //
        System.out.println("Hash for block 2 : "+hash2);

        Block thirdBlock = new Block("这是第三个区块,它的hash应该已经被前两个的信息纳入进来了,它的hash如果对不上,那么说明前面的信息被改动过了",hash2);
        String hash3 = thirdBlock.getHash();
        System.out.println("Hash for block 3 : "+hash3);

        //test3 add our blocks to the blockchain ArrayList :
        blockChain.add(new Block("区块链上第一小节","0"));
        blockChain.add(new Block("区块链第二小节",blockChain.get(blockChain.size()-1).getHash()));
        blockChain.add(new Block("区块链第三小节",blockChain.get(blockChain.size()-1).getHash()));

//        JSONArray blockChainJson1 = (JSONArray)JSONArray.toJSON(blockChain); //JSONArray是不排版的
//        System.out.println(blockChainJson1);
        String blockChainJson = new GsonBuilder().setPrettyPrinting().create().toJson(blockChain);

        System.out.println(blockChainJson);
    }
}