使用 Python 一步步搭建自己的区块链

摘要：写在开始之前记住，区块链是一个不可变的有序的被称为块的记录链。我们差不多完成了我们的区块链。工作量证明算法使用工作量证明算法，来证明是如何在区块链上创建或挖掘新的区块。

你是否会和我一样，对加密数字货币底层的区块链技术非常感兴趣，特别想了解他们的运行机制。

但是学习区块链技术并非一帆风顺，我看多了大量的视频教程还有各种课程，最终的感觉就是真正可用的实战课程太少。

我喜欢在实践中学习，尤其喜欢一代码为基础去了解整个工作机制。如果你我一样喜欢这种学习方式，当你学完本教程时，你将会知道区块链技术是如何工作的。

记住，区块链是一个 不可变的、有序的 被称为块的记录链。它们可以包含交易、文件或任何您喜欢的数据。但重要的是，他们用哈希 一起被链接在一起。

如果你不熟悉哈希, 这里是一个解释.

该指南的目的是什么? 你可以舒服地阅读和编写基础的Python，因为我们将通过HTTP与区块链进行讨论，所以你也要了解HTTP的工作原理。

我需要准备什么? 确定安装了 Python 3.6+ (还有 pip) ，你还需要安装 Flask、 Requests 库:

`pip install Flask==0.12.2 requests==2.18.4`

对了, 你还需要一个支持HTTP的客户端, 比如 Postman 或者 cURL，其他也可以。
源码在哪儿? 可以点击这里

打开你最喜欢的文本编辑器或者IDE, 我个人比较喜欢 PyCharm. 新建一个名为blockchain.py的文件。 我们将只用这一个文件就可以。但是如果你还是不太清楚, 你也可以参考 源码.

我们要创建一个 Blockchain 类 ，他的构造函数创建了一个初始化的空列表（要存储我们的区块链），并且另一个存储交易。下面是我们这个类的实例:

blockchain.py

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

我们的 Blockchain 类负责管理链式数据，它会存储交易并且还有添加新的区块到链式数据的Method。让我们开始扩充更多Method

每个块都有一个 索引，一个 时间戳（Unix时间戳），一个事务列表， 一个 校验(稍后详述) 和 前一个块的散列 。

下面是一个Block的例子 ：

blockchain.py

block = {
    "index": 1,
    "timestamp": 1506057125.900785,
    "transactions": [
        {
            "sender": "8527147fe1f5426f9dd545de4b27ee00",
            "recipient": "a77f5cdfa2934df3954a5c7c7da5df1f",
            "amount": 5,
        }
    ],
    "proof": 324984774000,
    "previous_hash": "2cf24dba5fb0a30e26e83b2ac5b9e29e1b161e5c1fa7425e73043362938b9824"
}

在这一点上，一个 区块链 的概念应该是明显的 - 每个新块都包含在其内的前一个块的 散列 。 这是至关重要的，因为这是 区块链 不可改变的原因：如果攻击者损坏 区块链 中较早的块，则所有后续块将包含不正确的哈希值。

这有道理吗？ 如果你还没有想通，花点时间仔细思考一下 - 这是区块链背后的核心理念

我们将需要一个添加交易到区块的方式。我们的 new_transaction()方法的责任就是这个， 并且它非常的简单:

blockchain.py

class Blockchain(object):
    ...
    
    def new_transaction(self, sender, recipient, amount):
        """
        Creates a new transaction to go into the next mined Block
        :param sender:  Address of the Sender
        :param recipient:  Address of the Recipient
        :param amount:  Amount
        :return:  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

 new_transaction() 方法添加了交易到列表，它返回了交易将被添加到的区块的索引---讲开采下一个这对稍后对提交交易的用户有用。

当我们的  Blockchain  被实例化后，我们需要将 创世 区块（一个没有前导区块的区块）添加进去进去。我们还需要向我们的起源块添加一个 证明，这是挖矿的结果(或工作证明)。 我们稍后会详细讨论挖矿。

除了在构造函数中创建 创世 区块外，我们还会补全  new_block() 、  new_transaction()  和 hash() 函数：

blockchain.py

import hashlib
import json
from time import time


class Blockchain(object):
    def __init__(self):
        self.current_transactions = []
        self.chain = []

        # 创建创世区块
        self.new_block(previous_hash=1, proof=100)

    def new_block(self, proof, previous_hash=None):
        """
        创建一个新的区块到区块链中
        :param proof:  由工作证明算法生成的证明
        :param previous_hash: (Optional)  前一个区块的 hash 值
        :return:  新区块
        """

        block = {
            "index": len(self.chain) + 1,
            "timestamp": time(),
            "transactions": self.current_transactions,
            "proof": proof,
            "previous_hash": previous_hash or self.hash(self.chain[-1]),
        }

        # 重置当前交易记录
        self.current_transactions = []

        self.chain.append(block)
        return block

    def new_transaction(self, sender, recipient, amount):
        """
        创建一笔新的交易到下一个被挖掘的区块中
        :param sender:  发送人的地址
        :param recipient:  接收人的地址
        :param amount:  金额
        :return:  持有本次交易的区块索引
        """
        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):
        """
        给一个区块生成 SHA-256 值
        :param block:  Block
        :return: 
        """

        # 我们必须确保这个字典（区块）是经过排序的，否则我们将会得到不一致的散列
        block_string = json.dumps(block, sort_keys=True).encode()
        return hashlib.sha256(block_string).hexdigest()

上面的代码应该是直白的 --- 为了让代码清晰，我添加了一些注释和文档说明。 我们差不多完成了我们的区块链。 但在这个时候你一定很疑惑新的块是怎么被创建、锻造或挖掘的。

使用工作量证明（PoW）算法，来证明是如何在区块链上创建或挖掘新的区块。PoW 的目标是计算出一个符合特定条件的数字，这个数字对于所有人而言必须在计算上非常困难，但易于验证。这是工作证明背后的核心思想。

我们将看到一个简单的例子帮助你理解：

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 x = 5，求 y ？用 Python 实现：

from hashlib import sha256
x = 5
y = 0  # We don"t know what y should be yet...
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，生成的 Hash 值结尾必须为 0。

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

在比特币中，工作量证明算法被称为 Hashcash ，它和上面的问题很相似，只不过计算难度非常大。这就是矿工们为了争夺创建区块的权利而争相计算的问题。 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，就会获得一定数量的比特币奖励（通过交易）。

验证结果，当然非常容易。

实现工作量证明

让我们来实现一个相似 PoW 算法。规则类似上面的例子：

找到一个数字 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。

blockchain.py

import hashlib
import json

from time import time
from uuid import uuid4


class Blockchain(object):
    ...
        
    def proof_of_work(self, last_proof):
        """
        Simple Proof of Work Algorithm:
         - Find a number p" such that hash(pp") contains leading 4 zeroes, where p is the previous p"
         - p is the previous proof, and p" is the new proof
        :param last_proof: 
        :return: 
        """

        proof = 0
        while self.valid_proof(last_proof, proof) is False:
            proof += 1

        return proof

    @staticmethod
    def valid_proof(last_proof, proof):
        """
        Validates the Proof: Does hash(last_proof, proof) contain 4 leading zeroes?
        :param last_proof:  Previous Proof
        :param proof:  Current Proof
        :return:  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。

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

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：

blockchain.py

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：实例化节点。阅读更多关于 Flask 内容。

第 18 行：为节点创建一个随机的名称。.

第 21 行：实例化 Blockchain 类。

第 24--26 行：创建 /mine 接口，GET 方式请求。 

第 28--30 行：创建 /transactions/new 接口，POST 方式请求，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：服务器运行端口 5000 。

发送到节点的交易数据结构如下：

{
 "sender": "my address",
 "recipient": "someone else"s address",
 "amount": 5
}

因为我们已经有了添加交易的方法，所以基于接口来添加交易就很简单了。让我们为添加事务写函数:

blockchain.py

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

blockchain.py

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)

    # We must receive a reward for finding the proof.
    # The sender is "0" to signify that this node has mined a new coin.
    blockchain.new_transaction(
        sender="0",
        recipient=node_identifier,
        amount=1,
    )

    # Forge the new Block by adding it to the chain
    previous_hash = blockchain.hash(last_block)
    block = blockchain.new_block(proof, previous_hash)

    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.

你可以使用 cURL 或 Postman 去和 API 进行交互

启动 Server：

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

让我们通过请求 http://localhost:5000/mine （ GET ）来进行挖矿：

用 Postman 发起一个 GET 请求.

创建一个交易请求，请求 http://localhost:5000/transactions/new （POST）,如图

如果不是使用 Postman，则用一下的 cURL 语句也是一样的：

$ curl -X POST -H "Content-Type: application/json" -d "{
 "sender": "d4ee26eee15148ee92c6cd394edd974e",
 "recipient": "someone-other-address",
 "amount": 5
}" "http://localhost:5000/transactions/new"

在挖了两次矿之后，就有 3 个块了，通过请求 http://localhost:5000/chain 可以得到所有的块信息

{
  "chain": [
    {
      "index": 1,
      "previous_hash": 1,
      "proof": 100,
      "timestamp": 1506280650.770839,
      "transactions": []
    },
    {
      "index": 2,
      "previous_hash": "c099bc...bfb7",
      "proof": 35293,
      "timestamp": 1506280664.717925,
      "transactions": [
        {
          "amount": 1,
          "recipient": "8bbcb347e0634905b0cac7955bae152b",
          "sender": "0"
        }
      ]
    },
    {
      "index": 3,
      "previous_hash": "eff91a...10f2",
      "proof": 35089,
      "timestamp": 1506280666.1086972,
      "transactions": [
        {
          "amount": 1,
          "recipient": "8bbcb347e0634905b0cac7955bae152b",
          "sender": "0"
        }
      ]
    }
  ],
  "length": 3
}

我们已经有了一个基本的区块链可以接受交易和挖矿。但是区块链系统应该是分布式的。既然是分布式的，那么我们究竟拿什么保证所有节点有同样的链呢？这就是一致性问题，我们要想在网络上有多个节点，就必须实现一个一致性的算法

在实现一致性算法之前，我们需要找到一种方式让一个节点知道它相邻的节点。每个节点都需要保存一份包含网络中其它节点的记录。因此让我们新增几个接口：

/nodes/register 接收 URL 形式的新节点列表.

/nodes/resolve 执行一致性算法，解决任何冲突，确保节点拥有正确的链.

我们修改下 Blockchain 的 init 函数并提供一个注册节点方法：

blockchain.py

...
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:  Address of node. Eg. "http://192.168.0.5:5000"
        :return: None
        """

        parsed_url = urlparse(address)
        self.nodes.add(parsed_url.netloc)

我们用 set 来储存节点，这是一种避免重复添加节点的简单方法.

就像先前讲的那样，当一个节点与另一个节点有不同的链时，就会产生冲突。 为了解决这个问题，我们将制定最长的有效链条是最权威的规则。换句话说就是：在这个网络里最长的链就是最权威的。 我们将使用这个算法，在网络中的节点之间达成共识。

blockchain.py

...
import requests


class Blockchain(object)
    ...
    
    def valid_chain(self, chain):
        """
        Determine if a given blockchain is valid
        :param chain:  A blockchain
        :return:  True if valid, False if not
        """

        last_block = chain[0]
        current_index = 1

        while current_index < len(chain):
            block = chain[current_index]
            print(f"{last_block}")
            print(f"{block}")
            print("
-----------
")
            # Check that the hash of the block is correct
            if block["previous_hash"] != self.hash(last_block):
                return False

            # Check that the Proof of Work is correct
            if not self.valid_proof(last_block["proof"], block["proof"]):
                return False

            last_block = block
            current_index += 1

        return True

    def resolve_conflicts(self):
        """
        This is our Consensus Algorithm, it resolves conflicts
        by replacing our chain with the longest one in the network.
        :return:  True if our chain was replaced, False if not
        """

        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 in neighbours:
            response = requests.get(f"http://{node}/chain")

            if response.status_code == 200:
                length = response.json()["length"]
                chain = response.json()["chain"]

                # Check if the length is longer and the chain is valid
                if 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
        if new_chain:
            self.chain = new_chain
            return True

        return False

第一个方法 valid_chain() 负责检查一个链是否有效，方法是遍历每个块并验证散列和证明。

resolve_conflicts() 是一个遍历我们所有邻居节点的方法，下载它们的链并使用上面的方法验证它们。 如果找到一个长度大于我们的有效链条，我们就取代我们的链条。

我们将两个端点注册到我们的API中，一个用于添加相邻节点，另一个用于解决冲突：

blockchain.py

@app.route("/nodes/register", methods=["POST"])
def register_nodes():
    values = request.get_json()

    nodes = values.get("nodes")
    if nodes is None:
        return "Error: Please supply a valid list of nodes", 400

    for node in 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()

    if 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

在这一点上，如果你喜欢，你可以使用一台不同的机器，并在你的网络上启动不同的节点。 或者使用同一台机器上的不同端口启动进程。 我在我的机器上，不同的端口上创建了另一个节点，并将其注册到当前节点。 因此，我有两个节点：http://localhost:5000 和 http://localhost:5001。 注册一个新节点：

然后我在节点 2 上挖掘了一些新的块，以确保链条更长。 之后，我在节点1上调用 GET /nodes/resolve，其中链由一致性算法取代：

这是一个包，去找一些朋友一起，以帮助测试你的区块链。

我希望本文能激励你创造更多新东西。我之所以对数字货币入迷，是因为我相信区块链会很快改变我们看待事物的方式，包括经济、政府、档案管理等。

更新：我计划在接下来的第2部分中继续讨论区块链交易验证机制，并讨论一些可以让区块链进行生产的方法。

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