乾貨 | 分分鐘教你用Python創建一個區塊鏈

03-05

作者 | Tiny熊

來源 | 全球人工智慧

源碼：https://github.com/xilibi2003/blockchain

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。

環境準備

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

安裝方法：

1pip 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: 1, timestamp: 1506057125.900785, transactions: [ { sender: "8527147fe1f5426f9dd545de4b27ee00", recipient: "a77f5cdfa2934df3954a5c7c7da5df1f", amount: 5, } ], 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] + 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。

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 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 @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 well 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 sha256x = 5y = 0 # y未知while sha256(f{x*y}.encode()).hexdigest()[-1] != "0": y += 1print(fThe solution is y = {y})

結果是y=21. 因為：

1hash(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 hashlibimport jsonfrom time import timefrom uuid import uuid4class 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 = 0 while self.valid_proof(last_proof, proof) is False: proof += 1 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 = f{last_proof}{proof}.encode() guess_hash = hashlib.sha256(guess).hexdigest() return guess_hash[:4] == "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 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 "Well mine a new Block" @app.route(/transactions/new, methods=[POST])def new_transaction(): return "Well 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 elses address", "amount": 5}

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 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 POSTed 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: fTransaction 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 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=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:

$ 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": 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）

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 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(" ----------- ") # 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 # Were 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(fhttp://{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) 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

pipenv run python blockchain.pypipenv 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

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

源碼：https://github.com/xilibi2003/blockchain