作者认为最快的学习区块链的方式是自己创建一个，本文就跟随作者用Python来创建一个区块链。
对数字货币的崛起感到新奇的我们，并且想知道其背后的技术——区块链是怎样实现的。
但是完全搞懂区块链并非易事，我喜欢在实践中学习，通过写代码来学习技术会掌握得更牢固。通过构建一个区块链可以加深对区块链的理解。
准备工作
本文要求读者对Python有基本的理解，能读写基本的Python，并且需要对HTTP请求有基本的了解。
我们知道区块链是由区块的记录构成的不可变、有序的链结构，记录可以是交易、文件或任何你想要的数据，重要的是它们是通过哈希值（hashes）链接起来的。
如果你还不是很了解哈希，可以查看这篇文章
环境准备
环境准备，确保已经安装Python3.6+, pip , Flask, requests
安装方法：
pip install Flask==0.12.2 requests==2.18.4
同时还需要一个HTTP客户端，比如Postman，cURL或其它客户端。
参考源代码（原代码在我翻译的时候，无法运行，我fork了一份，修复了其中的错误，并添加了翻译，感谢star）
开始创建Blockchain
新建一个文件 blockchain.py，本文所有的代码都写在这一个文件中，可以随时参考源代码
Blockchain类
首先创建一个Blockchain类，在构造函数中创建了两个列表，一个用于储存区块链，一个用于储存交易。
以下是Blockchain类的框架：
class Blockchain(object): def __init__(self): self.chain = [] self.current_transactions = [] def new_block(self): # Creates a new Block and adds it to the chain pass def new_transaction(self): # Adds a new transaction to the list of transactions pass @staticmethod def hash(block): # Hashes a Block pass @property def last_block(self): # Returns the last Block in the chain pass |
Blockchain类用来管理链条，它能存储交易，加入新块等，下面我们来进一步完善这些方法。
块结构
每个区块包含属性：索引（index），Unix时间戳（timestamp），交易列表（transactions），工作量证明（稍后解释）以及前一个区块的Hash值。
以下是一个区块的结构：
block = { 'index': 1, 'timestamp': 1506057125.900785, 'transactions': [ { 'sender': "8527147fe1f5426f9dd545de4b27ee00", 'recipient': "a77f5cdfa2934df3954a5c7c7da5df1f", 'amount': 5, } ], 'proof': 324984774000, 'previous_hash': "2cf24dba5fb0a30e26e83b2ac5b9e29e1b161e5c1fa7425e73043362938b9824" } |
到这里，区块链的概念就清楚了，每个新的区块都包含上一个区块的Hash，这是关键的一点，它保障了区块链不可变性。如果攻击者破坏了前面的某个区块，那么后面所有区块的Hash都会变得不正确。不理解的话，慢慢消化，可参考区块链记账原理
加入交易
接下来我们需要添加一个交易，来完善下new_transaction方法
class Blockchain(object): ... def new_transaction(self, sender, recipient, amount): """ 生成新交易信息，信息将加入到下一个待挖的区块中 :param sender: <str> Address of the Sender :param recipient: <str> Address of the Recipient :param amount: <int> Amount :return: <int> The indexof the Block that will hold this transaction """ self.current_transactions.append({ 'sender': sender, 'recipient': recipient, 'amount': amount, }) return self.last_block['index'] + 1 |
方法向列表中添加一个交易记录，并返回该记录将被添加到的区块(下一个待挖掘的区块)的索引，等下在用户提交交易时会有用。
创建新块
当Blockchain实例化后，我们需要构造一个创世块（没有前区块的第一个区块），并且给它加上一个工作量证明。
每个区块都需要经过工作量证明，俗称挖矿，稍后会继续讲解。
为了构造创世块，我们还需要完善newblock(), newtransaction() 和hash() 方法：
import hashlib import json from time import time class Blockchain(object): def __init__(self): self.current_transactions = [] self.chain = [] # Create the genesis block self.new_block(previous_hash=1, proof=100) def new_block(self, proof, previous_hash=None): """ 生成新块 :param proof: <int> The proof given by the Proof of Work algorithm :param previous_hash: (Optional) <str> Hash of previous Block :return: <dict> New Block """ block = { 'index': len(self.chain) + 1, 'timestamp': time(), 'transactions': self.current_transactions, 'proof': proof, 'previous_hash': previous_hash or self.hash(self.chain[-1]), } # Reset the current list of transactions self.current_transactions = [] self.chain.append(block) return block def new_transaction(self, sender, recipient, amount): """ 生成新交易信息，信息将加入到下一个待挖的区块中 :param sender: <str> Address of the Sender :param recipient: <str> Address of the Recipient :param amount: <int> Amount :return: <int> The index of the Block that will hold this transaction """ self.current_transactions.append({ 'sender': sender, 'recipient': recipient, 'amount': amount, }) return self.last_block['index'] + 1 @property def last_block(self): return self.chain[-1] @staticmethod def hash(block): """ 生成块的 SHA-256 hash值 :param block: <dict> Block :return: <str> """ # We must make sure that the Dictionary is Ordered, or we'll have inconsistent hashes block_string = json.dumps(block, sort_keys=True).encode() return hashlib.sha256(block_string).hexdigest() |
通过上面的代码和注释可以对区块链有直观的了解，接下来我们看看区块是怎么挖出来的。
理解工作量证明
新的区块依赖工作量证明算法（PoW）来构造。PoW的目标是找出一个符合特定条件的数字，这个数字很难计算出来，但容易验证。这就是工作量证明的核心思想。
为了方便理解，举个例子：
假设一个整数 x 乘以另一个整数 y 的积的 Hash 值必须以 0 结尾，即 hash(x * y) = ac23dc…0。设变量 x = 5，求 y 的值？
用Python实现如下：
from hashlib import sha256
x = 5
y = 0 # y未知
while sha256(f'{x*y}'.encode()).hexdigest()[-1] != "0":
y += 1
print(f'The solution is y = {y}')
结果是y=21. 因为：
hash(5 * 21) = 1253e9373e...5e3600155e860
在比特币中，使用称为Hashcash的工作量证明算法，它和上面的问题很类似。矿工们为了争夺创建区块的权利而争相计算结果。通常，计算难度与目标字符串需要满足的特定字符的数量成正比，矿工算出结果后，会获得比特币奖励。
当然，在网络上非常容易验证这个结果。
实现工作量证明
让我们来实现一个相似PoW算法，规则是：寻找一个数 p，使得它与前一个区块的 proof 拼接成的字符串的 Hash 值以 4 个零开头。
import hashlib import json from time import time from uuid import uuid4 class Blockchain(object): ... def proof_of_work(self, last_proof): """ 简单的工作量证明: - 查找一个 p' 使得 hash(pp') 以4个0开头 - p 是上一个块的证明, p' 是当前的证明 :param last_proof: <int> :return: <int> """ proof = 0 while self.valid_proof(last_proof, proof) is False: proof += 1 return proof @staticmethod def valid_proof(last_proof, proof): """ 验证证明: 是否hash(last_proof, proof)以4个0开头? :param last_proof: <int> Previous Proof :param proof: <int> Current Proof :return: <bool> True if correct, False if not. """ guess = f'{last_proof}{proof}'.encode() guess_hash = hashlib.sha256(guess).hexdigest() return guess_hash[:4] == "0000" |
衡量算法复杂度的办法是修改零开头的个数。使用4个来用于演示，你会发现多一个零都会大大增加计算出结果所需的时间。
现在Blockchain类基本已经完成了，接下来使用HTTP requests来进行交互。
Blockchain作为API接口
我们将使用Python Flask框架，这是一个轻量Web应用框架，它方便将网络请求映射到 Python函数，现在我们来让Blockchain运行在基于Flask web上。
我们将创建三个接口：
/transactions/new 创建一个交易并添加到区块 /mine 告诉服务器去挖掘新的区块 /chain 返回整个区块链 创建节点 我们的“Flask服务器”将扮演区块链网络中的一个节点。我们先添加一些框架代码： import hashlib import json from textwrap import dedent from time import time from uuid import uuid4 from flask import Flask class Blockchain(object): ... # Instantiate our Node app = Flask(__name__) # Generate a globally unique address for this node node_identifier = str(uuid4()).replace('-', '') # Instantiate the Blockchain blockchain = Blockchain() @app.route('/mine', methods=['GET']) def mine(): return "We'll mine a new Block" @app.route('/transactions/new', methods=['POST']) def new_transaction(): return "We'll add a new transaction" @app.route('/chain', methods=['GET']) def full_chain(): response = { 'chain': blockchain.chain, 'length': len(blockchain.chain), } return jsonify(response), 200 if __name__ == '__main__': app.run(host='0.0.0.0', port=5000) |
简单的说明一下以上代码：
第15行: 创建一个节点.
第18行: 为节点创建一个随机的名字.
第21行: 实例Blockchain类.
第24–26行: 创建/mine GET接口。
第28–30行: 创建/transactions/new POST接口,可以给接口发送交易数据.
第32–38行: 创建 /chain 接口, 返回整个区块链。
第40–41行: 服务运行在端口5000上.
发送交易
发送到节点的交易数据结构如下：
{
"sender": "my address",
"recipient": "someone else's address",
"amount": 5
}
之前已经有添加交易的方法，基于接口来添加交易就很简单了
import hashlib import json from textwrap import dedent from time import time from uuid import uuid4 from flask import Flask, jsonify, request ... @app.route('/transactions/new', methods=['POST']) def new_transaction(): values = request.get_json() # Check that the required fields are in the POST'ed data required = ['sender', 'recipient', 'amount'] if not all(k in values for k in required): return 'Missing values', 400 # Create a new Transaction index = blockchain.new_transaction(values['sender'], values['recipient'], values['amount']) response = {'message': f'Transaction will be added to Block {index}'} return jsonify(response), 201 |
挖矿
挖矿正是神奇所在，它很简单，做了一下三件事：
计算工作量证明PoW
通过新增一个交易授予矿工（自己）一个币
构造新区块并将其添加到链中
import hashlib import json from time import time from uuid import uuid4 from flask import Flask, jsonify, request ... @app.route('/mine', methods=['GET']) def mine(): # We run the proof of work algorithm to get the next proof... last_block = blockchain.last_block last_proof = last_block['proof'] proof = blockchain.proof_of_work(last_proof) # 给工作量证明的节点提供奖励. # 发送者为 "0" 表明是新挖出的币 blockchain.new_transaction( sender="0", recipient=node_identifier, amount=1, ) # Forge the new Block by adding it to the chain block = blockchain.new_block(proof) response = { 'message': "New Block Forged", 'index': block['index'], 'transactions': block['transactions'], 'proof': block['proof'], 'previous_hash': block['previous_hash'], } return jsonify(response), 200 |
注意交易的接收者是我们自己的服务器节点，我们做的大部分工作都只是围绕Blockchain类方法进行交互。到此，我们的区块链就算完成了，我们来实际运行下
运行区块链
你可以使用cURL 或Postman 去和API进行交互
启动server:
$ python blockchain.py
* Runing on http://127.0.0.1:5000/ (Press CTRL+C to quit)
让我们通过请求 http://localhost:5000/mine 来进行挖矿
用Postman请求挖矿
通过post请求，添加一个新交易
用Postman请求挖矿
上文内容不用于商业目的，如涉及知识产权问题，请权利人联系博为峰小编(021-64471599-8017)，我们将立即处理。
