用Python從零開始創建區塊鏈

知識 01-22

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作者認為最快的學習區塊鏈的方式是自己創建一個，本文就跟隨作者用Python來創建一個區塊鏈。

對數字貨幣的崛起感到新奇的我們，並且想知道其背後的技術——區塊鏈是怎樣實現的。

但是完全搞懂區塊鏈並非易事，我喜歡在實踐中學習，通過寫代碼來學習技術會掌握得更牢固。通過構建一個區塊鏈可以加深對區塊鏈的理解。

準備工作

本文要求讀者對Python有基本的理解，能讀寫基本的Python，並且需要對HTTP請求有基本的了解。

我們知道區塊鏈是由區塊的記錄構成的不可變、有序的鏈結構，記錄可以是交易、文件或任何你想要的數據，重要的是它們是通過哈希值（hashes）鏈接起來的。

如果你還不是很了解哈希，可以查看這篇文章

環境準備

環境準備，確保已經安裝Python3.6+, pip , Flask, requests
安裝方法：

1	pip install Flask==0.12.2 requests==2.18.4

同時還需要一個HTTP客戶端，比如Postman，cURL或其它客戶端。

參考源代碼（原代碼在我翻譯的時候，無法運行，我fork了一份，修復了其中的錯誤，並添加了翻譯，感謝star）

開始創建Blockchain

新建一個文件 blockchain.py，本文所有的代碼都寫在這一個文件中，可以隨時參考源代碼

Blockchain類

首先創建一個Blockchain類，在構造函數中創建了兩個列表，一個用於儲存區塊鏈，一個用於儲存交易。

以下是Blockchain類的框架：

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類用來管理鏈條，它能存儲交易，加入新塊等，下面我們來進一步完善這些方法。

塊結構

每個區塊包含屬性：索引（index），Unix時間戳（timestamp），交易列表（transactions），工作量證明（稍後解釋）以及前一個區塊的Hash值。

以下是一個區塊的結構：

block = {

"index"

"timestamp"

1506057125.900785

"transactions"

: [

{

"sender"

"8527147fe1f5426f9dd545de4b27ee00"

"recipient"

"a77f5cdfa2934df3954a5c7c7da5df1f"

"amount"

}

"proof"

324984774000

"previous_hash"

"2cf24dba5fb0a30e26e83b2ac5b9e29e1b161e5c1fa7425e73043362938b9824"

}

到這裡，區塊鏈的概念就清楚了，每個新的區塊都包含上一個區塊的Hash，這是關鍵的一點，它保障了區塊鏈不可變性。如果攻擊者破壞了前面的某個區塊，那麼後面所有區塊的Hash都會變得不正確。不理解的話，慢慢消化，可參考區塊鏈記賬原理

加入交易

接下來我們需要添加一個交易，來完善下new_transaction方法

class

Blockchain

(object)

...

def

new_transaction

(self, sender, recipient, amount)

"""

生成新交易信息，信息將加入到下一個待挖的區塊中

: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"

] +

方法向列表中添加一個交易記錄，並返回該記錄將被添加到的區塊(下一個待挖掘的區塊)的索引，等下在用戶提交交易時會有用。

創建新塊

當Blockchain實例化後，我們需要構造一個創世塊（沒有前區塊的第一個區塊），並且給它加上一個工作量證明。
每個區塊都需要經過工作量證明，俗稱挖礦，稍後會繼續講解。

為了構造創世塊，我們還需要完善new_block(), new_transaction() 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=

, proof=

100

)

def

new_block

(self, proof, previous_hash=None)

"""

生成新塊

: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) +

"timestamp"

: time(),

"transactions"

: self.current_transactions,

"proof"

: proof,

"previous_hash"

: previous_hash

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，信息將加入到下一個待挖的區塊中

: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"

] +

@property

def

last_block

(self)

return

self.chain[

-1

]

@staticmethod

def

hash

(block)

"""

生成塊的 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()

通過上面的代碼和注釋可以對區塊鏈有直觀的了解，接下來我們看看區塊是怎麼挖出來的。

理解工作量證明

新的區塊依賴工作量證明演算法（PoW）來構造。PoW的目標是找出一個符合特定條件的數字，

這個數字很難計算出來，但容易驗證

。這就是工作量證明的核心思想。

為了方便理解，舉個例子：

假設一個整數 x 乘以另一個整數 y 的積的 Hash 值必須以 0 結尾，即 hash(x * y) = ac23dc…0。設變數 x = 5，求 y 的值？

用Python實現如下：

from

hashlib

import

sha256

x =

y =

# y未知

while

sha256(

{x*y}

.encode()).hexdigest()[

-1

] !=

"0"

y +=

print(

f"The solution is y =

{y}

)

結果是y=21. 因為：

1	hash(5 * 21) = 1253e9373e...5e3600155e860

在比特幣中，使用稱為Hashcash的工作量證明演算法，它和上面的問題很類似。礦工們為了爭奪創建區塊的權利而爭相計算結果。通常，計算難度與目標字元串需要滿足的特定字元的數量成正比，礦工算出結果後，會獲得比特幣獎勵。
當然，在網路上非常容易驗證這個結果。

實現工作量證明

讓我們來實現一個相似PoW演算法，規則是：尋找一個數 p，使得它與前一個區塊的 proof 拼接成的字元串的 Hash 值以 4 個零開頭。

import

hashlib

import

json

from

time

import

time

from

uuid

import

uuid4

class

Blockchain

(object)

...

def

proof_of_work

(self, last_proof)

"""

簡單的工作量證明:

- 查找一個 p" 使得 hash(pp") 以4個0開頭

- p 是上一個塊的證明, p" 是當前的證明

:param last_proof: <int>

:return: <int>

"""

proof =

while

self.valid_proof(last_proof, proof)

False

proof +=

return

proof

@staticmethod

def

valid_proof

(last_proof, proof)

"""

驗證證明: 是否hash(last_proof, proof)以4個0開頭?

:param last_proof: <int> Previous Proof

:param proof: <int> Current Proof

:return: <bool> True if correct, False if not.

"""

guess =

{last_proof}

{proof}

.encode()

guess_hash = hashlib.sha256(guess).hexdigest()

return

guess_hash[:

] ==

"0000"

衡量演算法複雜度的辦法是修改零開頭的個數。使用4個來用於演示，你會發現多一個零都會大大增加計算出結果所需的時間。

現在Blockchain類基本已經完成了，接下來使用HTTP requests來進行交互。

Blockchain作為API介面

我們將使用Python Flask框架，這是一個輕量Web應用框架，它方便將網路請求映射到 Python函數，現在我們來讓Blockchain運行在基於Flask web上。

我們將創建三個介面：

/transactions/new 創建一個交易並添加到區塊

/mine 告訴伺服器去挖掘新的區塊

/chain 返回整個區塊鏈

創建節點

我們的「Flask伺服器」將扮演區塊鏈網路中的一個節點。我們先添加一些框架代碼：

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

__name__ ==

"__main__"

app.run(host=

"0.0.0.0"

, port=

5000

)

簡單的說明一下以上代碼：
第15行: 創建一個節點.
第18行: 為節點創建一個隨機的名字.
第21行: 實例Blockchain類.
第24–26行: 創建/mine GET介面。
第28–30行: 創建/transactions/new POST介面,可以給介面發送交易數據.
第32–38行: 創建 /chain 介面, 返回整個區塊鏈。
第40–41行: 服務運行在埠5000上.

發送交易

發送到節點的交易數據結構如下：

{

"sender"

"my address"

"recipient"

"someone else"s address"

"amount"

}

之前已經有添加交易的方法，基於介面來添加交易就很簡單了

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"

]

not

all(k

values

for

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

挖礦

挖礦正是神奇所在，它很簡單，做了一下三件事：

計算工作量證明PoW

通過新增一個交易授予礦工（自己）一個幣

構造新區塊並將其添加到鏈中

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)

# 給工作量證明的節點提供獎勵.

# 發送者為 "0" 表明是新挖出的幣

blockchain.new_transaction(

sender=

"0"

recipient=node_identifier,

amount=

)

# 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們自己的伺服器節點，我們做的大部分工作都只是圍繞Blockchain類方法進行交互。到此，我們的區塊鏈就算完成了，我們來實際運行下

運行區塊鏈

你可以使用cURL 或Postman 去和API進行交互

啟動server:

1 2	$ python blockchain.py * Runing on http://127.0.0.1:5000/ (Press CTRL+C to quit)

讓我們通過請求 http://localhost:5000/mine 來進行挖礦

通過post請求，添加一個新交易

如果不是使用Postman，則用一下的cURL語句也是一樣的：

$ curl -X POST -H

"Content-Type: application/json"

-d

"sender": "d4ee26eee15148ee92c6cd394edd974e",

"recipient": "someone-other-address",

"amount": 5

"http://localhost:5000/transactions/new"

在挖了兩次礦之後，就有3個塊了，通過請求 http://localhost:5000/chain 可以得到所有的塊信息。

{

"chain"

: [

{

"index"

"previous_hash"

"proof"

100

"timestamp"

1506280650.770839

"transactions"

: []

{

"index"

"previous_hash"

"c099bc...bfb7"

"proof"

35293

"timestamp"

1506280664.717925

"transactions"

: [

{

"amount"

"recipient"

"8bbcb347e0634905b0cac7955bae152b"

"sender"

"0"

}

]

{

"index"

"previous_hash"

"eff91a...10f2"

"proof"

35089

"timestamp"

1506280666.1086972

"transactions"

: [

{

"amount"

"recipient"

"8bbcb347e0634905b0cac7955bae152b"

"sender"

"0"

}

]

}

"length"

}

一致性（共識）

我們已經有了一個基本的區塊鏈可以接受交易和挖礦。但是區塊鏈系統應該是分散式的。既然是分散式的，那麼我們究竟拿什麼保證所有節點有同樣的鏈呢？這就是一致性問題，我們要想在網路上有多個節點，就必須實現一個一致性的演算法。

註冊節點

在實現一致性演算法之前，我們需要找到一種方式讓一個節點知道它相鄰的節點。每個節點都需要保存一份包含網路中其它節點的記錄。因此讓我們新增幾個介面：

/nodes/register 接收URL形式的新節點列表

/nodes/resolve 執行一致性演算法，解決任何衝突，確保節點擁有正確的鏈

我們修改下Blockchain的init函數並提供一個註冊節點方法：

...

from

urllib.parse

import

urlparse

...

class

Blockchain

(object)

def

__init__

(self)

...

self.nodes = set()

...

def

register_node

(self, address)

"""

Add a new node to the list of nodes

:param address: <str> Address of node. Eg. "http://192.168.0.5:5000"

:return: None

"""

parsed_url = urlparse(address)

self.nodes.add(parsed_url.netloc)

我們用 set 來儲存節點，這是一種避免重複添加節點的簡單方法。

實現共識演算法

前面提到，衝突是指不同的節點擁有不同的鏈，為了解決這個問題，規定最長的、有效的鏈才是最終的鏈，換句話說，網路中有效最長鏈才是實際的鏈。

我們使用一下的演算法，來達到網路中的共識

...

import

requests

class

Blockchain

(object)

...

def

valid_chain

(self, chain)

"""

Determine if a given blockchain is valid

:param chain: <list> A blockchain

:return: <bool> True if valid, False if not

"""

last_block = chain[

]

current_index =

while

current_index < len(chain):

block = chain[current_index]

print(

{last_block}

)

print(

{block}

)

print(

"
-----------
"

)

# Check that the hash of the block is correct

block[

"previous_hash"

] != self.hash(last_block):

return

False

# Check that the Proof of Work is correct

not

self.valid_proof(last_block[

"proof"

], block[

"proof"

]):

return

False

last_block = block

current_index +=

return

True

def

resolve_conflicts

(self)

"""

共識演算法解決衝突

使用網路中最長的鏈.

:return: <bool> True 如果鏈被取代, 否則為False

"""

neighbours = self.nodes

new_chain =

None

# We"re only looking for chains longer than ours

max_length = len(self.chain)

# Grab and verify the chains from all the nodes in our network

for

node

neighbours:

response = requests.get(

f"http://

{node}

/chain"

)

response.status_code ==

200

length = response.json()[

"length"

]

chain = response.json()[

"chain"

]

# Check if the length is longer and the chain is valid

length > max_length

and

self.valid_chain(chain):

max_length = length

new_chain = chain

# Replace our chain if we discovered a new, valid chain longer than ours

new_chain:

self.chain = new_chain

return

True

return

False

第一個方法 valid_chain() 用來檢查是否是有效鏈，遍歷每個塊驗證hash和proof.

第2個方法 resolve_conflicts() 用來解決衝突，遍歷所有的鄰居節點，並用上一個方法檢查鏈的有效性，

如果發現有效更長鏈，就替換掉自己的鏈

讓我們添加兩個路由，一個用來註冊節點，一個用來解決衝突。

@app.route("/nodes/register", methods=["POST"])

def

register_nodes

()

values = request.get_json()

nodes = values.get(

"nodes"

)

nodes

None

return

"Error: Please supply a valid list of nodes"

400

for

node

nodes:

blockchain.register_node(node)

response = {

"message"

"New nodes have been added"

"total_nodes"

: list(blockchain.nodes),

}

return

jsonify(response),

201

@app.route("/nodes/resolve", methods=["GET"])

def

consensus

()

replaced = blockchain.resolve_conflicts()

replaced:

response = {

"message"

"Our chain was replaced"

"new_chain"

: blockchain.chain

}

else

response = {

"message"

"Our chain is authoritative"

"chain"

: blockchain.chain

}

return

jsonify(response),

200

你可以在不同的機器運行節點，或在一台機機開啟不同的網路埠來模擬多節點的網路，這裡在同一台機器開啟不同的埠演示，在不同的終端運行一下命令，就啟動了兩個節點：http://localhost:5000 和 http://localhost:5001

1 2	pipenv run python blockchain.py pipenv run python blockchain.py -p 5001

然後在節點2上挖兩個塊，確保是更長的鏈，然後在節點1上訪問介面/nodes/resolve ,這時節點1的鏈會通過共識演算法被節點2的鏈取代。

好啦，你可以邀請朋友們一起來測試你的區塊鏈

英文：深入淺出區塊鏈-Tiny熊

https://learnblockchain.cn/2017/10/27/build_blockchain_by_python/

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