作者認(rèn)為最快的學(xué)習(xí)區(qū)塊鏈的方式是自己創(chuàng)建一個(gè)，本文就跟隨作者用Python來創(chuàng)建一個(gè)區(qū)塊鏈。
對(duì)數(shù)字貨幣的崛起感到新奇的我們，并且想知道其背后的技術(shù)——區(qū)塊鏈?zhǔn)窃鯓訉?shí)現(xiàn)的。
但是完全搞懂區(qū)塊鏈并非易事，我喜歡在實(shí)踐中學(xué)習(xí)，通過寫代碼來學(xué)習(xí)技術(shù)會(huì)掌握得更牢固。通過構(gòu)建一個(gè)區(qū)塊鏈可以加深對(duì)區(qū)塊鏈的理解。
準(zhǔn)備工作
本文要求讀者對(duì)Python有基本的理解，能讀寫基本的Python，并且需要對(duì)HTTP請(qǐng)求有基本的了解。
我們知道區(qū)塊鏈?zhǔn)怯蓞^(qū)塊的記錄構(gòu)成的不可變、有序的鏈結(jié)構(gòu)，記錄可以是交易、文件或任何你想要的數(shù)據(jù)，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(huán)境準(zhǔn)備
環(huán)境準(zhǔn)備，確保已經(jīng)安裝Python3.6+, pip , Flask, requests
安裝方法：
pip install Flask==0.12.2 requests==2.18.4
同時(shí)還需要一個(gè)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(shí)候，無法運(yùn)行，我fork了一份，修復(fù)了其中的錯(cuò)誤，并添加了翻譯，感謝star）
開始創(chuàng)建Blockchain
新建一個(gè)文件 blockchain.py，本文所有的代碼都寫在這一個(gè)文件中，可以隨時(shí)參考源代碼
Blockchain類
首先創(chuàng)建一個(gè)Blockchain類，在構(gòu)造函數(shù)中創(chuàng)建了兩個(gè)列表，一個(gè)用于儲(chǔ)存區(qū)塊鏈，一個(gè)用于儲(chǔ)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(chǔ)交易，加入新塊等，下面我們來進(jìn)一步完善這些方法。
塊結(jié)構(gòu)
每個(gè)區(qū)塊包含屬性：索引（index），Unix時(shí)間戳（timestamp），交易列表（transactions），工作量證明（稍后解釋）以及前一個(gè)區(qū)塊的Hash值。
以下是一個(gè)區(qū)塊的結(jié)構(gòu)：
block = { 'index': 1, 'timestamp': 1506057125.900785, 'transactions': [ { 'sender': "8527147fe1f5426f9dd545de4b27ee00", 'recipient': "a77f5cdfa2934df3954a5c7c7da5df1f", 'amount': 5, } ], 'proof': 324984774000, 'previous_hash': "2cf24dba5fb0a30e26e83b2ac5b9e29e1b161e5c1fa7425e73043362938b9824"}到這里，區(qū)塊鏈的概念就清楚了，每個(gè)新的區(qū)塊都包含上一個(gè)區(qū)塊的Hash，這是關(guān)鍵的一點(diǎn)，它保障了區(qū)塊鏈不可變性。如果攻擊者破壞了前面的某個(gè)區(qū)塊，那么后面所有區(qū)塊的Hash都會(huì)變得不正確。
加入交易
接下來我們需要添加一個(gè)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(gè)待挖的區(qū)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'] + 1方法向列表中添加一個(gè)交易記錄，并返回該記錄將被添加到的區(qū)塊(下一個(gè)待挖掘的區(qū)塊)的索引，等下在用戶提交交易時(shí)會(huì)有用。
創(chuàng)建新塊
當(dāng)Blockchain實(shí)例化后，我們需要構(gòu)造一個(gè)創(chuàng)世塊（沒有前區(qū)塊的第一個(gè)區(qū)塊），并且給它加上一個(gè)工作量證明。
每個(gè)區(qū)塊都需要經(jīng)過工作量證明，俗稱挖礦，稍后會(huì)繼續(xù)講解。
為了構(gòu)造創(chuàng)世塊，我們還需要完善new_block(), new_transaction() 和hash() 方法：
import hashlibimport jsonfrom time import timeclass 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) + 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，信息將加入到下一個(gè)待挖的區(qū)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'] + 1 @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(duì)區(qū)塊鏈有直觀的了解，接下來我們看看區(qū)塊是怎么挖出來的。
理解工作量證明
新的區(qū)塊依賴工作量證明算法（PoW）來構(gòu)造。PoW的目標(biāo)是找出一個(gè)符合特定條件的數(shù)字，這個(gè)數(shù)字很難計(jì)算出來，但容易驗(yàn)證。這就是工作量證明的核心思想。
為了方便理解，舉個(gè)例子：
假設(shè)一個(gè)整數(shù) x 乘以另一個(gè)整數(shù) y 的積的 Hash 值必須以 0 結(jié)尾，即 hash(x * y) = ac23dc…0。設(shè)變量 x = 5，求 y 的值？
用Python實(shí)現(xiàn)如下：
from hashlib import sha256x = 5y = 0 # y未知while sha256(f'{x*y}'.encode()).hexdigest()[-1] != "0": y += 1print(f'The solution is y = {y}')結(jié)果是y=21. 因?yàn)椋?/p>
hash(5 * 21) = 1253e9373e...5e3600155e860
在比特幣中，使用稱為Hashcash的工作量證明算法，它和上面的問題很類似。礦工們?yōu)榱藸?zhēng)奪創(chuàng)建區(qū)塊的權(quán)利而爭(zhēng)相計(jì)算結(jié)果。通常，計(jì)算難度與目標(biāo)字符串需要滿足的特定字符的數(shù)量成正比，礦工算出結(jié)果后，會(huì)獲得比特幣獎(jiǎng)勵(lì)。
當(dāng)然，在網(wǎng)絡(luò)上非常容易驗(yàn)證這個(gè)結(jié)果。
實(shí)現(xiàn)工作量證明
讓我們來實(shí)現(xiàn)一個(gè)相似PoW算法，規(guī)則是：尋找一個(gè)數(shù) p，使得它與前一個(gè)區(qū)塊的 proof 拼接成的字符串的 Hash 值以 4 個(gè)零開頭。
import hashlibimport jsonfrom time import timefrom uuid import uuid4class Blockchain(object): ... def proof_of_work(self, last_proof): """ 簡(jiǎn)單的工作量證明: - 查找一個(gè) p' 使得 hash(pp') 以4個(gè)0開頭 - p 是上一個(gè)塊的證明, p' 是當(dāng)前的證明 :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): """ 驗(yàn)證證明: 是否hash(last_proof, proof)以4個(gè)0開頭? :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"衡量算法復(fù)雜度的辦法是修改零開頭的個(gè)數(shù)。使用4個(gè)來用于演示，你會(huì)發(fā)現(xiàn)多一個(gè)零都會(huì)大大增加計(jì)算出結(jié)果所需的時(shí)間。
現(xiàn)在Blockchain類基本已經(jīng)完成了，接下來使用HTTP requests來進(jìn)行交互。
Blockchain作為API接口
我們將使用Python Flask框架，這是一個(gè)輕量Web應(yīng)用框架，它方便將網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求映射到 Python函數(shù)，現(xiàn)在我們來讓Blockchain運(yùn)行在基于Flask web上。
我們將創(chuàng)建三個(gè)接口：
/transactions/new 創(chuàng)建一個(gè)交易并添加到區(qū)塊
/mine 告訴服務(wù)器去挖掘新的區(qū)塊
/chain 返回整個(gè)區(qū)塊鏈
創(chuàng)建節(jié)點(diǎn)
我們的“Flask服務(wù)器”將扮演區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)。我們先添加一些框架代碼：
import hashlibimport jsonfrom textwrap import dedentfrom time import timefrom uuid import uuid4from flask import Flaskclass Blockchain(object): ...# Instantiate our Nodeapp = Flask(__name__)# Generate a globally unique address for this nodenode_identifier = str(uuid4()).replace('-', '')# Instantiate the Blockchainblockchain = 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), 200if __name__ == '__main__': app.run(host='0.0.0.0', port=5000) 簡(jiǎn)單的說明一下以上代碼：
第15行: 創(chuàng)建一個(gè)節(jié)點(diǎn).
第18行: 為節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建一個(gè)隨機(jī)的名字.
第21行: 實(shí)例Blockchain類.
第24–26行: 創(chuàng)建/mine GET接口。
第28–30行: 創(chuàng)建/transactions/new POST接口,可以給接口發(fā)送交易數(shù)據(jù).
第32–38行: 創(chuàng)建 /chain 接口, 返回整個(gè)區(qū)塊鏈。
第40–41行: 服務(wù)運(yùn)行在端口5000上.
發(fā)送交易
發(fā)送到節(jié)點(diǎn)的交易數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：
{ "sender": "my address", "recipient": "someone else's address", "amount": 5}之前已經(jīng)有添加交易的方法，基于接口來添加交易就很簡(jiǎn)單了
import hashlibimport jsonfrom textwrap import dedentfrom time import timefrom uuid import uuid4from 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挖礦
挖礦正是神奇所在，它很簡(jiǎn)單，做了一下三件事：
import hashlibimport jsonfrom time import timefrom uuid import uuid4from 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(jié)點(diǎn)提供獎(jiǎng)勵(lì). # 發(fā)送者為 "0" 表明是新挖出的幣 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們自己的服務(wù)器節(jié)點(diǎn)，我們做的大部分工作都只是圍繞Blockchain類方法進(jìn)行交互。到此，我們的區(qū)塊鏈就算完成了，我們來實(shí)際運(yùn)行下
運(yùn)行區(qū)塊鏈
你可以使用cURL 或Postman 去和API進(jìn)行交互
啟動(dòng)server:
$ python blockchain.py* Runing on http://127.0.0.1:5000/ (Press CTRL+C to quit)
讓我們通過請(qǐng)求 http://localhost:5000/mine 來進(jìn)行挖礦
通過post請(qǐng)求，添加一個(gè)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"在挖了兩次礦之后，就有3個(gè)塊了，通過請(qǐng)求 http://localhost:5000/chain 可以得到所有的塊信息。
{ "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}一致性（共識(shí)）
我們已經(jīng)有了一個(gè)基本的區(qū)塊鏈可以接受交易和挖礦。但是區(qū)塊鏈系統(tǒng)應(yīng)該是分布式的。既然是分布式的，那么我們究竟拿什么保證所有節(jié)點(diǎn)有同樣的鏈呢？這就是一致性問題，我們要想在網(wǎng)絡(luò)上有多個(gè)節(jié)點(diǎn)，就必須實(shí)現(xiàn)一個(gè)一致性的算法。
注冊(cè)節(jié)點(diǎn)
在實(shí)現(xiàn)一致性算法之前，我們需要找到一種方式讓一個(gè)節(jié)點(diǎn)知道它相鄰的節(jié)點(diǎn)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都需要保存一份包含網(wǎng)絡(luò)中其它節(jié)點(diǎn)的記錄。因此讓我們新增幾個(gè)接口：
/nodes/register 接收URL形式的新節(jié)點(diǎn)列表
/nodes/resolve 執(zhí)行一致性算法，解決任何沖突，確保節(jié)點(diǎn)擁有正確的鏈
我們修改下Blockchain的init函數(shù)并提供一個(gè)注冊(cè)節(jié)點(diǎn)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(chǔ)存節(jié)點(diǎn)，這是一種避免重復(fù)添加節(jié)點(diǎn)的簡(jiǎn)單方法。
實(shí)現(xiàn)共識(shí)算法
前面提到，沖突是指不同的節(jié)點(diǎn)擁有不同的鏈，為了解決這個(gè)問題，規(guī)定最長(zhǎng)的、有效的鏈才是最終的鏈，換句話說，網(wǎng)絡(luò)中有效最長(zhǎng)鏈才是實(shí)際的鏈。
我們使用一下的算法，來達(dá)到網(wǎng)絡(luò)中的共識(shí)
...import requestsclass 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[0] current_index = 1 while current_index < len(chain): block = chain[current_index] print(f'{last_block}') print(f'{block}') print("/n-----------/n") # 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): """ 共識(shí)算法解決沖突 使用網(wǎng)絡(luò)中最長(zhǎng)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 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第一個(gè)方法 valid_chain() 用來檢查是否是有效鏈，遍歷每個(gè)塊驗(yàn)證hash和proof.
第2個(gè)方法 resolve_conflicts() 用來解決沖突，遍歷所有的鄰居節(jié)點(diǎn)，并用上一個(gè)方法檢查鏈的有效性， 如果發(fā)現(xiàn)有效更長(zhǎng)鏈，就替換掉自己的鏈
讓我們添加兩個(gè)路由，一個(gè)用來注冊(cè)節(jié)點(diǎn)，一個(gè)用來解決沖突。
@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你可以在不同的機(jī)器運(yùn)行節(jié)點(diǎn)，或在一臺(tái)機(jī)機(jī)開啟不同的網(wǎng)絡(luò)端口來模擬多節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)，這里在同一臺(tái)機(jī)器開啟不同的端口演示，在不同的終端運(yùn)行一下命令，就啟動(dòng)了兩個(gè)節(jié)點(diǎn)：http://localhost:5000 和 http://localhost:5001
pipenv run python blockchain.pypipenv run python blockchain.py -p 5001
然后在節(jié)點(diǎn)2上挖兩個(gè)塊，確保是更長(zhǎng)的鏈，然后在節(jié)點(diǎn)1上訪問接口/nodes/resolve ,這時(shí)節(jié)點(diǎn)1的鏈會(huì)通過共識(shí)算法被節(jié)點(diǎn)2的鏈取代。
好啦，你可以邀請(qǐng)朋友們一起來測(cè)試你的區(qū)塊鏈
本文主要內(nèi)容翻譯自Learn Blockchains by Building One
新聞熱點(diǎn)
疑難解答
圖片精選
