JAVA从零开始开发区块链技术--视频笔记_使用java 搭建区块链 联盟链入门学习

学习过程

区块链（Block Chain）结构解析

Python开发区块链

• Python 实现最简单的区块链
• 用 Python 从零开始创建区块链

1 第1课

视频：https://www.bilibili.com/video/BV1RZ4y1c7i2/
代码：https://github.com/gjhuai/blockchain

1.1 比特币

1.1.1 比特币-起源

• Bitcoin(BTC): A Peer-to-Peer Electronic Cash System( 点对点电子现金系统 )
• 中本聪在 2009 年初挖出第一批比特币
• 总量不超过 2100 万枚

1.1.2 比特币-底层机制

• 去中心化， P2P 分布式数字货币系统
• 共识机制 -POW 工作量证明
• 非对称加密算法 - 数字签名
• 区块链账本技术

1.1.3 比特币-特性

• 硬通货 - 跨境交易
• 易携带 - 只需一个私钥
• 隐秘性 - 只暴露钱包地址
• 无货币超发

1.1.4 比特币-钱包

• 钱包就是 P2P 里的 P( 节点 ) ，主要用来管理私钥和比特币转账地 址
• 钱包分类
• 轻钱包 - 只存储维护跟你自己交易相关的数据
• 中心化钱包 - 数字货币交易所
• 钱包下载地址： https://bitcoin.org/zh_CN/download

1.1.5 比特币-产生

• 比特币由矿工挖矿产生
• 生成的比特币被记录在矿工的名下
• 比特币通过矿工的公钥哈希值锁定
• 比特币通过交易 (UTXO) 在节点之间转移
• UTXO- 未花费的交易

1.2 区块链

1.2.1 区块链-分布式账本系统

• 共识机制 -POW 工作量证明
  • 通过挖矿证明自己是善意节点，并获得生成区块和在该区块记账的权利
• 基于 P2P 网络，每个全节点都存储着最全的比特币交易记录
• 新区块通过包含前一个区块头部的哈希值 ( 区块的唯一标识 ) 建立链接关系
• 区块里装的就是所有的比特币交易记录 (UTXO)

1.2.2 区块链网络

• 区块链节点
  • 矿工-运行于强大或专用的硬件（比如 ASIC）之上，主要目的是挖矿
  • 全节点-这些节点验证矿工挖出来的块的有效性，并对交易进行确认。
  • SPV节点-简单支付验证，如钱包节点

1.2.3 区块链-挖矿

• 在全网中和其他节点竞争计算 ( 解一个难题 ) 的过程
  • 证明自己是非恶意节点
• 获得的权利和义务
  • 记账权 - 把交易写入区块里
  • 广播义务 - 把区块在全网广播
• 获得的奖励
  • 挖矿奖励 -12.5BTC
  • 收取交易手续费

1.2.4 区块链-共识机制

• 拜占庭将军问题 - 共识机制之一
  

• POW(Proof of Work)-工作量证明

  • 通过付出大量工作代价证明自己是非恶意节点
  • 计算一个随机数 (nonce) ，算出的正确随机数即 POW
  • 获取记账权利
  • 打包交易并通知其它节点

• 理性人都是逐利的， POW 抑制了节点的恶意动机

1.2.5 区块链-交易确认

• 当一项交易被链上的区块收录后，就是交易确认
• 在此区块之后每产生一个区块，此项交易的确认数相应加 1
• 经过 6 个以上区块确认的交易才是安全确认的，因为篡改成本巨大
• 比特币钱包可以设置交易确认数

1.2.6 区块链-区块生成

• 矿工在挖矿前要组建区块

  • 将 coinbase 交易打包进区块
  • 将交易池中高优先级的交易打包进区块
  • 创建区块头部
    

• 挖矿成功后，将计算出来的随机数 nonce(POW) 填入区块头部， 并向临近节点传播

1.2.7 区块链-区块验证

• 相邻节点收到新区块后，立即做以下验证
  • 验证 POW 的 nonce 值是否符合难度值
  • 检查时间戳是否小于当前时间两小时
  • 检查 merkle 树根是否正确
  • 检查区块 size 要小于区块 size 的上限
  • 第一笔交易必须是 coinbase 交易
  • 验证每个交易

1.2.8 区块链-分类

• 公有链
  • 任何人都可以参与使用和维护，信息公开，如比特币，以太坊等
• 联盟链
  • 若干组织共同维护，使用有权限限制，信息受保护，如银联组织
• 私有链
  • 集中管理者进行限制，内部少数人可以使用，信息不公开

1.2.9 区块链-篡改账本

• 双花问题：同一笔比特币被支付多次

1.3 密码学

1.3.1 密码学-对称加密

• 对称加密 - 加解密钥相同
• 缺点：无法确保密钥被安全传递
• 常用算法： DES 、 3DES （ TripleDES ）、 AES 等

1.3.2 密码学-非对称加密

• 非对称加密 - 公私钥加密对，公钥加密，私钥解密

• 公钥由私钥生成，私钥可以推导出公钥
• 从公钥无法推导出私钥
• 优点：解决了密钥传输中的安全行问题
• 常用算法： RSA 、 ECC （椭圆曲线加密算法 )
• 使用场景： SSH 安全验证等
• 问题：解决了信息传送的问题，如何验证发送方是正确的了 ?

1.3.3 密码学-哈希(Hash)

• 哈希 - 将一段数据 ( 任意长度 ) 经过计算转换成一段定长的数据
• 不可逆性 - 几乎无法通过哈希的结果推导出原文
• 无碰撞性 - 两个不同原文哈希后的结果一定不同
• 常用算法： MD5 ， SHA256
• 使用场景
  • 数据库中的用户密码存储 (MD5)
  • 挖矿计算 (SHA256)

1.3.4 密码学-数字签名

• 数字签名 - 公私钥加密对，私钥签名，公钥解签名
• 使用场景 - 比特币交易验证等

1.3.5 Java实现区块链与比特币

• 区块链结构
• 挖矿生成新区块
• 共识机制
• 比特币交易
• 比特币钱包
• 区块链 P2P 网络通讯

比特派

第2课

• 区块链整体结构设计与实现
• 共识机制

  • 工作量证明原理

  • 挖矿算法

// 挖矿算法
//创建一个空的区块链
List<Block> blockchain = new ArrayList<>();
//生成创世区块
Block block = new Block(1, System.currentTimeMillis(), new ArrayList<Transaction>(), 1, "1", "1");
//加入创世区块到区块链里
blockchain.add(block);
System.out.println(JSON.toJSONString(blockchain));


//创建一个空的交易结合
List<Transaction> txs = new ArrayList<>();
Transaction tx1 = new Transaction();
Transaction tx2 = new Transaction();
Transaction tx3 = new Transaction();
txs.add(tx1);
txs.add(tx2);
txs.add(tx3);
//加入系统奖励的交易
Transaction sysTx = new Transaction();
txs.add(sysTx);
//获取当前区块链里的最后一个区块
Block latestBlock = blockchain.get(blockchain.size() - 1);


int nonce = 1;
String hash = "";
while(true){
 hash = CryptoUtil.SHA256(latestBlock.getHash() + JSON.toJSONString(txs) + nonce);
 if (hash.startsWith("0000")) {
        System.out.println("=====计算结果正确，计算次数为：" +nonce+ ",hash:" + hash);
        break;
    }
 nonce++;
 System.out.println("计算错误，hash:" + hash); 
}


Block newBlock = new Block(latestBlock.getIndex() + 1, System.currentTimeMillis(), txs, nonce, latestBlock.getHash(), hash);
blockchain.add(newBlock);
System.out.println("挖矿后的区块链：" + JSON.toJSONString(blockchain));
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密码学–非对称加密

• 非对称加密–公私钥加密对，共要加密，私钥解密
• 公钥由私钥生成，私钥可以推到出公钥
• 从公钥无法推导出私钥
• 优点：解决了密钥传输中的安全问题
• 常用算法：RSA、ECC（椭圆曲线加密算法）
• 使用场景：SSH安全验证等
• 问题：解决了信息传送的问题，如何验证发送方是正确的？
  

@Test
public void testEncrypt() throws Exception {
 System.err.println("公钥加密——私钥解密");
 String inputStr = "abc";
 byte[] data = inputStr.getBytes();


 byte[] encodedData = RSACoder.encryptByPublicKey(data, publicKey);


 byte[] decodedData = RSACoder.decryptByPrivateKey(encodedData, privateKey);


 String outputStr = new String(decodedData);
 System.err.println("加密前: " + inputStr + "\n\r" + "解密后: " + outputStr);
 assertEquals(inputStr, outputStr);
}
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密码学–哈希（Hash）

• 哈希–讲一段数据（任意长度）经过计算转换成一段定长的数据
• 不可逆性–几乎无法通过哈希的结果推导出原文
• 无碰撞行–两个不同原文哈希后的结果一定不同
• 常用算法：MD5、SHA256
• 使用场景：
  • 数据库中的用户密码存储（MD5）
  • 挖矿计算（SHA256）

密码学–数字签名

1、数字签名：公私钥加密对，私钥签名，公钥验证签名。
2、使用场景：比特币交易验证等。

@Test
public void testSign() throws Exception {
 System.err.println("私钥签名——公钥验证签名");
 String inputStr = "sign";
 byte[] data = inputStr.getBytes();


 // 产生签名
 String sign = RSACoder.sign(data, privateKey);
 System.err.println("签名:\r" + sign);


 // 验证签名
 boolean status = RSACoder.verify(data, publicKey, sign);
 System.err.println("状态:\r" + status);
 assertTrue(status);
}
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生成钱包

// 本地生成公私钥对
Map<String, Object> initKey = RSACoder.initKey();
String publicKey = RSACoder.getPublicKey(initKey);
String privateKey = RSACoder.getPrivateKey(initKey);
return new Wallet(publicKey, privateKey);
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3 第3课：比特币的设计与实现

比特币交易UTXO
- 交易输出

- 交易输入
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比特币余额

3.1 比特币–UTXO

• UTXO(unspent transaction output) - 未花费交易输出
  • 比特币拥有者的公钥锁定（加密）的一个数字
  • UTXO就是比特币，比特币系统中只有UTXO,没有比特币
  • 新的UTXO由挖矿或交易产生
• UTXO存在全节点的数据库里
• 转账交易消耗自己的UTXO,同时生成新的UTXO,并用接受者的公钥锁定
• 比特币系统中用户的“余额”实际上并不直接存在，而是通过计算得来

3.2 比特币–交易模型

• 交易输出（UTXO）
  • 锁定的比特币数量
  • 锁定脚本（用接收者的公钥哈希）
• 交易输入（UTXO+解锁脚本）
  • 解锁脚本（发送者的签名和公钥）
• 签名–对发送者和接收者的公钥哈希以及整个交易签名

3.2 比特币–交易全流程

coinbase的系统交易，input为空。

3.3 交易代码

//交易发起方
Wallet walletSender = Wallet.generateWallet();
//交易接收方
Wallet walletReciptent = Wallet.generateWallet();


TransactionInput txIn = new TransactionInput(tx2.getId(), 10, null, walletSender.getPublicKey());
TransactionOutput txOut = new TransactionOutput(10, walletReciptent.getHashPubKey());
Transaction tx3 = new Transaction(CryptoUtil.UUID(), txIn , txOut);


//假定tx2之前已经被打包进区块，也就是已经被记录进账本了
tx3.sign(walletSender.getPrivateKey(), tx2);
txs.add(tx3);
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3.4 签名代码

对发送者和接收者的公钥哈希以及整个交易签名

/**
 * 用私钥生成交易签名
 * 
 * @param privateKey
 * @param prevTx
 */
public void sign(String privateKey, Transaction prevTx) {
 if (coinbaseTx()) {
  return;
 }


 if (!prevTx.getId().equals(txIn.getTxId())) {
  System.err.println("交易签名失败：当前交易输入引用的前一笔交易与传入的前一笔交易不匹配");
 }


 Transaction txClone = cloneTx();
 txClone.getTxIn().setPublicKey(prevTx.getTxOut().getPublicKeyHash());
 String sign = "";
 try {
  sign = RSACoder.sign(txClone.hash().getBytes(), privateKey);
 } catch (Exception e) {
  e.printStackTrace();
 }
 txIn.setSignature(sign);
}


/**
 * 生成用于交易签名的交易记录副本
 * 
 * @return
 */
public Transaction cloneTx() {
 TransactionInput transactionInput = new TransactionInput(txIn.getTxId(), txIn.getValue(), null, null);
 TransactionOutput transactionOutput = new TransactionOutput(txOut.getValue(), txOut.getPublicKeyHash());
 return new Transaction(id, transactionInput, transactionOutput);
}
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区块链资料

• 挖矿原理及区块链交易的七个步骤

• 区块链学习路上的一些资料作为参考

• Solidity 官方文档中文版

• 以太坊官网文档中文版

• 汪晓明对区块链、以太坊的思考

• 区块链技术核心概念与原理讲解

• 【资料】区块链学习路上的一些资料作为参考

• 【资料】收集所有区块链(BlockChain)技术开发相关资料

• 【教程】北京大学肖臻老师《区块链技术与应用》公开课

  • 区块链技术与应用视频笔记（1-4）
  • 区块链技术与应用视频笔记（5-9）
  • 第10讲 BTC-分叉
  • 第11讲 课堂问答
  • 第14-16讲 ETH-以太坊概述、账户、状态树