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2022-07-30 12:36:04 经济时评

　　比特币非常受欢迎――多么轻描淡写的说法。虽然加密货币的未来有些不确定，但用于驱动比特币的区块链技术也非常受欢迎。　　

　　区块链的应用范围几乎是无限的。可以说，它还可能摧毁企业自动化。有很多关于区块链如何运作的信息。我们有一份介绍区块链技术的免费白皮书(无需注册)。　　

　　本文将关注区块链架构，特别是演示“不可变的，只追加的”分布式分类帐如何与简化的代码示例一起工作。　　

　　作为一名开发人员，在理解代码如何工作时，从代码中看到一些东西要比简单地阅读技术文章有用得多。至少对我来说是这样。那么，我们开始吧！　　

　　简而言之，区块链　　

　　首先，让我们快速总结一下区块链。一个块包含一些头信息和一组或任何类型的数据块。该链从第一个(原始)块开始。添加/追加事务时，将根据一个块中可以存储的事务数量创建一个新的块。　　

　　当超过块阈值大小时，会创建一个新的事务块。这个新街区与前一个街区相连，因此被称为区块链。　　

　　不变区块链是不可变的，因为SHA-256散列是为事务计算的。该块的内容也将被散列，从而提供唯一的标识符。此外，来自链接的前一个块的散列也存储在块头中并进行散列。　　

　　这就是为什么试图篡改区块链积木基本上是不可能的，至少以目前的计算能力是不可能的。下面是显示块属性的部分Java类定义。　　

　　.public类BlockT扩展Tx { public long timeStampprivate int索引；private ListT transactions=new ArrayList t()；私有字符串哈希；私有字符串previousHash私有字符串merkleRoot私有字符串nonce=' 0000//缓存事务SHA256 hashes public MapString，T map=new HashMapString，T()；请注意，注入的泛型类型是Tx类型。这允许交易数据改变。此外，previousHash属性将引用前一个块的哈希。MerkleRoot和nonce属性将在后面描述。　　

　　散列块每个块可以计算一个块散列。本质上，这是连接在一起的所有块属性的散列，包括前一个块的散列和由此计算的SHA-256散列。　　

　　下面是块中定义的方法。散列java类。　　

　　.public void compute hash(){ Gson parser=new Gson()；//大概应该缓存这个实例String serialized data=parser . to JSON(transactions)；setHash(SHA256.generateHash(时间戳索引merkleRoot serialized data nonce previous hash))；} .块事务被序列化为JSON字符串，以便它们可以在哈希之前附加到块属性。　　

　　链式区块链通过接受事务来管理块。当达到预定阈值时，创建一个块。这是一个简单的链条。java实现的一部分：　　

　　.公共类SimpleBlockchainT扩展Tx { public static final int BLOCK _ SIZE=10；public list block t chain=new ArrayList block t()；public simple block chain(){//create genesis block chain . add(new block())；} .请注意，chain属性包含使用Tx类型键入的块列表。此外，当创建链时，无参数构造函数创建一个初始的“genesis”块。下面是newBlock()方法的源代码。　　

　　public block t new block(){ int count=chain . size()；string previous hash=“root”；if(count 0)previous hash=block chain hash()；block t block=new block t()；block . settimestamp(system . current time millis())；block.setIndex(计数)；block . setprevioushash(previousHash)；返回块；}这个新的block方法将创建一个新的block实例，播种适当的值，并分配前一个块的hash(即链头的hash)。然后它将返回到块。　　

　　在向链中添加一个块之后　　

之前，可以通过将新块的上一个哈希与链的最后一个块（头）进行比较来验证块，以确保它们匹配。这是一个简单的锁链。java方法描述了这一点。

public void addAndValidateBlock(Block<T> block) {// compare previous block hash, add if validBlock<T> current = block;for (int i = chain.size() - 1; i >= 0; i--) {Block<T> b = chain.get(i);if (b.getHash().equals(current.getPreviousHash())) {current = b;} else {throw new RuntimeException("Block Invalid");}}this.chain.add(block);}整个区块链通过链的循环进行验证，以确保一个区块的哈希仍然与前一个区块的哈希匹配。

这是 SimpleBlockChain.java 的 validate（）方法实现。

public boolean validate() {String previousHash = null;for (Block<T> block : chain) {String currentHash = block.getHash();if (!currentHash.equals(previousHash)) {return false;}previousHash = currentHash;}return true;}你可以看到，试图以任何方式伪造交易数据或任何其他财产都是非常困难的。而且，随着链条的增长，它继续变得非常、非常、非常困难，基本上是不可能的。直到量子计算机问世

添加事务区块链技术的另一个重要技术点是它是分布式的。它们是附加的这一事实只会有助于在参与区块链网络的节点之间复制区块链。节点通常以点对点的方式进行通信，比特币就是这样，但不一定要这样。其他区块链实施使用分散的方法，比如通过HTTP使用API。然而，这是另一个博客的主题。

事务几乎可以代表任何东西。事务可以包含要执行的代码（即智能合约），或者存储和附加有关某种业务事务的信息。

智能合同：旨在以数字方式促进、验证或强制执行合同谈判或履行的计算机协议。

就比特币而言，交易包含从所有者账户到其他账户的金额（即在账户之间转移比特币金额）。交易中还包括公钥和帐户ID，因此传输是安全的。但这是比特币特有的。

将交易添加到网络并合并；它们不在一个区块或链条中。

这就是区块链共识机制发挥作用的地方。这里有许多经过验证的共识算法和模式，超出了本博客的范围。

挖掘是比特币区块链使用的共识机制。这就是本博客进一步讨论的共识类型。共识机制收集事务，用它们构建块，然后将块添加到链中。然后，链在添加到链之前验证新的事务块。

Merkle树事务被散列并添加到块中。创建Merkle树数据结构来计算Merkle根哈希。每个块将存储Merkle树的根，这是一个平衡的哈希二叉树，其中内部节点是两个子哈希的哈希，一直到根哈希，即Merkle根。

此树用于验证块事务，如果在任何事务中更改了单个信息位，Merkle根将无效。此外，它们还可以帮助以分布式方式传输块，因为该结构只允许添加和验证整个事务块所需的事务哈希的单个分支。

下面是模块中的方法。从事务列表中创建Merkle树的java类。

public List<String> merkleTree() {ArrayList<String> tree = new ArrayList<>();// Start by adding all the hashes of the transactions as leaves of the// tree.for (T t : transactions) {tree.add(t.hash());}int levelOffset = 0; // Offset in the list where the currently processed// level starts.// Step through each level, stopping when we reach the root (levelSize// == 1).for (int levelSize = transactions.size(); levelSize > 1; levelSize = (levelSize + 1) / 2) {// For each pair of nodes on that level:for (int left = 0; left < levelSize; left += 2) {// The right hand node can be the same as the left hand, in the// case where we don't have enough// transactions.int right = Math.min(left + 1, levelSize - 1);String tleft = tree.get(levelOffset + left);String tright = tree.get(levelOffset + right);tree.add(SHA256.generateHash(tleft + tright));}// Move to the next level.levelOffset += levelSize;}return tree;}该方法用于计算块的Merkle树根。配套项目有一个Merkle树单元测试，它试图将事务添加到块中，并验证Merkle根是否已更改。下面是单元测试的源代码。

@Testpublic void merkleTreeTest() {// create chain, add transactionSimpleBlockchain<Transaction> chain1 = new SimpleBlockchain<Transaction>();chain1.add(new Transaction("A")).add(new Transaction("B")).add(new Transaction("C")).add(new Transaction("D"));// get a block in chainBlock<Transaction> block = chain1.getHead();System.out.println("Merkle Hash tree :" + block.merkleTree());// get a transaction from blockTransaction tx = block.getTransactions().get(0);// see if block transactions are valid, they should beblock.transasctionsValid();assertTrue(block.transasctionsValid());// mutate the data of a transactiontx.setValue("Z");// block should no longer be valid, blocks MerkleRoot does not match computed merkle tree of transactionsassertFalse(block.transasctionsValid());}此单元测试模拟验证事务，然后在一致性机制之外的块中更改事务，即如果有人试图更改事务数据。

记住，区块链只是附加的，由于区块链数据结构在节点之间共享，块数据结构（包括Merkle根）被散列并连接到其他块。所有节点都可以验证新块，现有块可以很容易地被证明是有效的。因此，一个矿工试图添加一个虚假的区块，或者一个节点试图调整旧的交易，实际上是不可能的，在太阳长成超新星并给所有人一个非常好的棕褐色之前。

采矿工作证明将交易组合成一个区块，然后提交给链成员验证的过程在比特币领域被称为“挖掘”。

更一般地说，在区块链中，这被称为共识。有不同类型的经验证的分布式一致性算法。使用哪种机制取决于您是否拥有公共区块链或许可区块链。我们的白皮书对此进行了更深入的描述，但本博客的重点是区块链机制，因此本例我们将应用一种工作证明共识机制。

因此，挖掘节点将监听区块链正在执行的交易，并执行一个简单的数学谜题。这个谜题使用一个在每次迭代中都会更改的nonce值生成具有一组预先确定的前导零的块散列，直到找到前导零散列为止。

示例Java项目（ https://github.com/in-the-keyhole/khs-blockchain-java-example ）有一个 Miner.java 类，带有一个 proofwork（Block）方法实现，如下所示。

private String proofOfWork(Block block) {String nonceKey = block.getNonce();long nonce = 0;boolean nonceFound = false;String nonceHash = "";Gson parser = new Gson();String serializedData = parser.toJson(transactionPool);String message = block.getTimeStamp() + block.getIndex() + block.getMerkleRoot() + serializedData+ block.getPreviousHash();while (!nonceFound) {nonceHash = SHA256.generateHash(message + nonce);nonceFound = nonceHash.substring(0, nonceKey.length()).equals(nonceKey);nonce++;}return nonceHash;}同样，这是简化的，但是一旦收到一定数量的事务，miner实现将对块执行工作证明哈希。该算法只是循环并创建块的SHA-256散列，直到产生前导数散列。

这可能需要很多时间，这就是为什么要实现特定的GPU微处理器来尽可能快地执行和解决这个问题。

单元测试您可以在GitHub上看到所有这些概念与Java示例项目的JUnit测试结合在一起。