用Python從零開始建立區塊鏈

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

可是徹底搞懂區塊鏈並不是易事，我喜歡在實踐中學習，經過寫代碼來學習技術會掌握得更牢固。經過構建一個區塊鏈能夠加深對區塊鏈的理解。

準備工做

本文要求讀者對Python有基本的理解，能讀寫基本的Python，而且須要對HTTP請求有基本的瞭解。

咱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，記錄能夠是交易、文件或任何你想要的數據，重要的是它們是經過哈希值（hashes）連接起來的。

若是你還不是很瞭解哈希，能夠查看這篇文章

環境準備

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

pip install Flask==0.12.2 requests==2.18.4
同時還須要一個HTTP客戶端，好比Postman，cURL或其它客戶端。

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

開始建立Blockchain

新建一個文件 blockchain.py，本文全部的代碼都寫在這一個文件中，能夠隨時參考源代碼

Blockchain類

首先建立一個Blockchain類，在構造函數中建立了兩個列表，一個用於儲存區塊鏈，一個用於儲存交易。

如下是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
    passdef new_transaction(self):    # Adds a new transaction to the list of transactions
    pass

@staticmethoddef hash(block):    # Hashes a Block
    pass

@propertydef 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，下面咱們來進一步完善這些方法。

塊結構

每一個區塊包含屬性：索引（index），Unix時間戳（timestamp），交易列表（transactions），工做量證實（稍後解釋）以及前一個區塊的Hash值。

如下是一個區塊的結構：

block = {

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

}
到這裏，區塊鏈的概念就清楚了，每一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。若是攻擊者破壞了前面的某個區塊，那麼後面全部區塊的Hash都會變得不正確。不理解的話，慢慢消化，可參考{% post_link whatbc 區塊鏈記帳原理 %}

加入交易

接下來咱們須要添加一個交易，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'] + 1

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。

建立新塊

當Blockchain實例化後，咱們須要構造一個創世塊（沒有前區塊的第一個區塊），而且給它加上一個工做量證實。 每一個區塊都須要通過工做量證實，俗稱挖礦，稍後會繼續講解。

爲了構造創世塊，咱們還須要完善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 blockdef 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'] + 1@propertydef last_block(self):
    return self.chain[-1]@staticmethoddef 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()

經過上面的代碼和註釋能夠對區塊鏈有直觀的瞭解，接下來咱們看看區塊是怎麼挖出來的。

理解工做量證實

新的區塊依賴工做量證實算法（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。這就是工做量證實的核心思想。

爲了方便理解，舉個例子：

假設一個整數 x 乘以另外一個整數 y 的積的 Hash 值必須以 0 結尾，即 hash(x * y) = ac23dc...0。設變量 x = 5，求 y 的值？

用Python實現以下：

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}')
結果是y=21. 由於：

hash(5 * 21) = 1253e9373e...5e3600155e860
在比特幣中，使用稱爲Hashcash的工做量證實算法，它和上面的問題很相似。礦工們爲了爭奪建立區塊的權利而爭相計算結果。一般，計算難度與目標字符串須要知足的特定字符的數量成正比，礦工算出結果後，會得到比特幣獎勵。 固然，在網絡上很是容易驗證這個結果。

實現工做量證實

讓咱們來實現一個類似PoW算法，規則是：尋找一個數 p，使得它與前一個區塊的 proof 拼接成的字符串的 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):
    """
    簡單的工做量證實:
     - 查找一個 p' 使得 hash(pp') 以4個0開頭
     - p 是上一個塊的證實,  p' 是當前的證實
    :param last_proof: <int>
    :return: <int>
    """

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

    return proof@staticmethoddef valid_proof(last_proof, proof):
    """
    驗證證實: 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 = f'{last_proof}{proof}'.encode()
    guess_hash = hashlib.sha256(guess).hexdigest()    return guess_hash[:4] == "0000"

衡量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長計算出結果所需的時間。

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

Blockchain做爲API接口

咱們將使用Python Flask框架，這是一個輕量Web應用框架，它方便將網絡請求映射到 Python函數，如今咱們來讓Blockchain運行在基於Flask web上。

咱們將建立三個接口：

/transactions/new 建立一個交易並添加到區塊
/mine 告訴服務器去挖掘新的區塊
/chain 返回整個區塊鏈
建立節點

咱們的「Flask服務器」將扮演區塊鏈網絡中的一個節點。咱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

if 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: 建立一個節點. 第18行: 爲節點建立一個隨機的名字. 第21行: 實例Blockchain類. 第24–26行: 建立/mine GET接口。 第28–30行: 建立/transactions/new POST接口,能夠給接口發送交易數據. 第32–38行: 建立 /chain 接口, 返回整個區塊鏈。 第40–41行: 服務運行在端口5000上.

發送交易

發送到節點的交易數據結構以下：

{
"sender": "my address",
"recipient": "someone else's address",
"amount": 5
}
以前已經有添加交易的方法，基於接口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 datarequired = ['sender', 'recipient', 'amount']if not all(k in values for k in required):    return 'Missing values', 400# Create a new Transactionindex = 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，作了一下三件事：

計算工做量證實PoW
經過新增一個交易授予礦工（本身）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)# 給工做量證實的節點提供獎勵.# 發送者爲 "0" 代表是新挖出的幣blockchain.new_transaction(
    sender="0",
    recipient=node_identifier,
    amount=1,
)# Forge the new Block by adding it to the chainblock = 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咱們本身的服務器節點，咱們作的大部分工做都只是圍繞Blockchain類方法進行交互。到此，咱們的區塊鏈就算完成了，咱們來實際運行下

運行區塊鏈

你可使用cURL 或Postman 去和API進行交互

啓動server:

$ python blockchain.py

• Runing on http://127.0.0.1:5000/ (Press CTRL+C to quit)

讓咱們經過請求 http://localhost:5000/mine 來進行挖礦

用Postman請求挖礦

經過post請求，添加一個新交易

用Postman請求挖礦

若是不是使用Postman，則用一下的cURL語句也是同樣的：

$ curl -X POST -H "Content-Type: application/json" -d '{
"sender": "d4ee26eee15148ee92c6cd394edd974e",
"recipient": "someone-other-address",
"amount": 5
}' "http://localhost:5000/transactions/new"
在挖了兩次礦以後，就有3個塊了，經過請求 http://localhost:5000/chain 能夠獲得全部的塊信息。

{
 "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）

咱們已經有了一個基本的區塊鏈能夠接受交易和挖礦。可是區塊鏈系統應該是分佈式的。既然是分佈式的，那麼咱們究竟拿什麼保證全部節點有一樣的鏈呢？這就是一致性問題，咱們要想在網絡上有多個節點，就必須實現一個一致性的算法。

註冊節點

在實現一致性算法以前，咱們須要找到一種方式讓一個節點知道它相鄰的節點。每一個節點都須要保存一份包含網絡中其它節點的記錄。所以讓咱們新增幾個接口：

/nodes/register 接收URL形式的新節點列表
/nodes/resolve 執行一致性算法，解決任何衝突，確保節點擁有正確的鏈
咱們修改下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)

咱們用 set 來儲存節點，這是一種避免重複添加節點的簡單方法。

實現共識算法

前面提到，衝突是指不一樣的節點擁有不一樣的鏈，爲了解決這個問題，規定最長的、有效的鏈纔是最終的鏈，換句話說，網絡中有效最長鏈纔是實際的鏈。

咱們使用一下的算法，來達到網絡中的共識

...
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[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 Truedef resolve_conflicts(self):
    """
    共識算法解決衝突
    使用網絡中最長的鏈.
    :return: <bool> True 若是鏈被取代, 不然爲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

第一個方法 valid_chain() 用來檢查是不是有效鏈，遍歷每一個塊驗證hash和proof.

第2個方法 resolve_conflicts() 用來解決衝突，遍歷全部的鄰居節點，並用上一個方法檢查鏈的有效性， 若是發現有效更長鏈，就替換掉本身的鏈

讓咱們添加兩個路由，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')if nodes is None:    return "Error: Please supply a valid list of nodes", 400for 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

你能夠在不一樣的機器運行節點，或在一臺機機開啓不一樣的網絡端口來模擬多節點的網絡，這裏在同一臺機器開啓不一樣的端口演示，在不一樣的終端運行一下命令，就啓動了兩個節點：http://localhost:5000 和 http://localhost:5001

pipenv run python blockchain.py
pipenv run python blockchain.py -p 5001
註冊新節點

而後在節點2上挖兩個塊，確保是更長的鏈，而後在節點1上訪問接口/nodes/resolve ,這時節點1的鏈會經過共識算法被節點2的鏈取代。

共識算法解決衝突

好啦，你能夠邀請朋友們一塊兒來測試你的區塊鏈！廈工叉車