使用Python从零开始撸一个区块链

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{% post_link whatbc 区块链技术原理 %}

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 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

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=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,})
  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：

（编辑：安卓应用网）

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