使用Python一步步搭建自己的區(qū)塊鏈

你是否會(huì)和我一樣，對(duì)加密數(shù)字貨幣底層的區(qū)塊鏈技術(shù)非常感興趣，特別想了解他們的運(yùn)行機(jī)制。

但是學(xué)習(xí)區(qū)塊鏈技術(shù)并非一帆風(fēng)順，我看多了大量的視頻教程還有各種課程，最終的感覺就是真正可用的實(shí)戰(zhàn)課程太少。

我喜歡在實(shí)踐中學(xué)習(xí)，尤其喜歡一代碼為基礎(chǔ)去了解整個(gè)工作機(jī)制。如果你我一樣喜歡這種學(xué)習(xí)方式，當(dāng)你學(xué)完本教程時(shí)，你將會(huì)知道區(qū)塊鏈技術(shù)是如何工作的。

寫在開始之前

記住，區(qū)塊鏈?zhǔn)且粋€(gè) 不可變的、有序的 被稱為塊的記錄鏈。它們可以包含交易、文件或任何您喜歡的數(shù)據(jù)。但重要的是，他們用哈希 一起被鏈接在一起。

如果你不熟悉哈希， 這里是一個(gè)解釋。

該指南的目的是什么？ 你可以舒服地閱讀和編寫基礎(chǔ)的Python，因?yàn)槲覀儗⑼ㄟ^HTTP與區(qū)塊鏈進(jìn)行討論，所以你也要了解HTTP的工作原理。

我需要準(zhǔn)備什么？ 確定安裝了 Python 3.6+ （還有 pip） ，你還需要安裝 Flask、 Requests 庫：

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

對(duì)了， 你還需要一個(gè)支持HTTP的客戶端， 比如 Postman 或者 cURL，其他也可以。

源碼在哪兒？ 可以點(diǎn)擊這里

Step 1： 創(chuàng)建一個(gè)區(qū)塊鏈

打開你最喜歡的文本編輯器或者IDE， 我個(gè)人比較喜歡 PyCharm. 新建一個(gè)名為blockchain.py的文件。 我們將只用這一個(gè)文件就可以。但是如果你還是不太清楚， 你也可以參考 源碼。

描述區(qū)塊鏈

我們要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè) Blockchain 類 ，他的構(gòu)造函數(shù)創(chuàng)建了一個(gè)初始化的空列表（要存儲(chǔ)我們的區(qū)塊鏈），并且另一個(gè)存儲(chǔ)交易。下面是我們這個(gè)類的實(shí)例：

blockchain.py

我們的 Blockchain 類負(fù)責(zé)管理鏈?zhǔn)綌?shù)據(jù)，它會(huì)存儲(chǔ)交易并且還有添加新的區(qū)塊到鏈?zhǔn)綌?shù)據(jù)的Method。讓我們開始擴(kuò)充更多Method

塊是什么樣的 ？

每個(gè)塊都有一個(gè) 索引，一個(gè) 時(shí)間戳（Unix時(shí)間戳），一個(gè)事務(wù)列表， 一個(gè) 校驗(yàn)（稍后詳述） 和 前一個(gè)塊的散列 。

下面是一個(gè)Block的例子 ：

blockchain.py

在這一點(diǎn)上，一個(gè) 區(qū)塊鏈 的概念應(yīng)該是明顯的 - 每個(gè)新塊都包含在其內(nèi)的前一個(gè)塊的 散列 。 這是至關(guān)重要的，因?yàn)檫@是 區(qū)塊鏈 不可改變的原因：如果攻擊者損壞 區(qū)塊鏈 中較早的塊，則所有后續(xù)塊將包含不正確的哈希值。

這有道理嗎？ 如果你還沒有想通，花點(diǎn)時(shí)間仔細(xì)思考一下 - 這是區(qū)塊鏈背后的核心理念

添加交易到區(qū)塊

我們將需要一個(gè)添加交易到區(qū)塊的方式。我們的 new_transaction（）方法的責(zé)任就是這個(gè)， 并且它非常的簡(jiǎn)單：

blockchain.py

new_transaction（） 方法添加了交易到列表，它返回了交易將被添加到的區(qū)塊的索引---講開采下一個(gè)這對(duì)稍后對(duì)提交交易的用戶有用。

創(chuàng)建新的區(qū)塊

當(dāng)我們的 Blockchain 被實(shí)例化后，我們需要將 創(chuàng)世 區(qū)塊（一個(gè)沒有前導(dǎo)區(qū)塊的區(qū)塊）添加進(jìn)去進(jìn)去。我們還需要向我們的起源塊添加一個(gè) 證明，這是挖礦的結(jié)果（或工作證明）。 我們稍后會(huì)詳細(xì)討論挖礦。

除了在構(gòu)造函數(shù)中創(chuàng)建 創(chuàng)世 區(qū)塊外，我們還會(huì)補(bǔ)全 new_block（） 、 new_transaction（） 和 hash（） 函數(shù)：

blockchain.py

上面的代碼應(yīng)該是直白的 --- 為了讓代碼清晰，我添加了一些注釋和文檔說明。 我們差不多完成了我們的區(qū)塊鏈。 但在這個(gè)時(shí)候你一定很疑惑新的塊是怎么被創(chuàng)建、鍛造或挖掘的。

工作量證明算法

使用工作量證明（PoW）算法，來證明是如何在區(qū)塊鏈上創(chuàng)建或挖掘新的區(qū)塊。PoW 的目標(biāo)是計(jì)算出一個(gè)符合特定條件的數(shù)字，這個(gè)數(shù)字對(duì)于所有人而言必須在計(jì)算上非常困難，但易于驗(yàn)證。這是工作證明背后的核心思想。

我們將看到一個(gè)簡(jiǎn)單的例子幫助你理解：

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) x = 5，求 y ？用 Python 實(shí)現(xiàn)：

結(jié)果是： y = 21。因?yàn)椋傻?Hash 值結(jié)尾必須為 0。

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

在比特幣中，工作量證明算法被稱為 Hashcash ，它和上面的問題很相似，只不過計(jì)算難度非常大。這就是礦工們?yōu)榱藸?zhēng)奪創(chuàng)建區(qū)塊的權(quán)利而爭(zhēng)相計(jì)算的問題。 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，就會(huì)獲得一定數(shù)量的比特幣獎(jiǎng)勵(lì)（通過交易）。

驗(yàn)證結(jié)果，當(dāng)然非常容易。

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)則類似上面的例子：

找到一個(gè)數(shù)字 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。

blockchain.py

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。

Step 2： 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：

blockchain.py

簡(jiǎn)單的說明一下以上代碼：

第 15 行：實(shí)例化節(jié)點(diǎn)。閱讀更多關(guān)于 Flask 內(nèi)容。

第 18 行：為節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建一個(gè)隨機(jī)的名稱。。

第 21 行：實(shí)例化 Blockchain 類。

第 24--26 行：創(chuàng)建 /mine 接口，GET 方式請(qǐng)求。

第 28--30 行：創(chuàng)建 /transactions/new 接口，POST 方式請(qǐng)求，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)器運(yùn)行端口 5000 。

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：

因?yàn)槲覀円呀?jīng)有了添加交易的方法，所以基于接口來添加交易就很簡(jiǎn)單了。讓我們?yōu)樘砑邮聞?wù)寫函數(shù)：

blockchain.py

挖礦

挖礦正是神奇所在，它很簡(jiǎn)單，做了一下三件事：

計(jì)算工作量證明 PoW

通過新增一個(gè)交易授予礦工（自己）一個(gè)幣

構(gòu)造新區(qū)塊并將其添加到鏈中

blockchain.py

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。

Step 3： 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 * Running on http://127.0.0.1:5000/ （Press CTRL+C to quit）

讓我們通過請(qǐng)求 http://localhost:5000/mine （ GET ）來進(jìn)行挖礦：

用 Postman 發(fā)起一個(gè) GET 請(qǐng)求。

創(chuàng)建一個(gè)交易請(qǐng)求，請(qǐng)求 http://localhost:5000/transactions/new （POST），如圖

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

Step 4： 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：

blockchain.py

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

就像先前講的那樣，當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)與另一個(gè)節(jié)點(diǎn)有不同的鏈時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生沖突。 為了解決這個(gè)問題，我們將制定最長(zhǎng)的有效鏈條是最權(quán)威的規(guī)則。換句話說就是：在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)里最長(zhǎng)的鏈就是最權(quán)威的。 我們將使用這個(gè)算法，在網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)之間達(dá)成共識(shí)。

blockchain.py

第一個(gè)方法 valid_chain（） 負(fù)責(zé)檢查一個(gè)鏈?zhǔn)欠裼行В椒ㄊ潜闅v每個(gè)塊并驗(yàn)證散列和證明。

resolve_conflicts（） 是一個(gè)遍歷我們所有鄰居節(jié)點(diǎn)的方法，下載它們的鏈并使用上面的方法驗(yàn)證它們。 如果找到一個(gè)長(zhǎng)度大于我們的有效鏈條，我們就取代我們的鏈條。

我們將兩個(gè)端點(diǎn)注冊(cè)到我們的API中，一個(gè)用于添加相鄰節(jié)點(diǎn)，另一個(gè)用于解決沖突：

blockchain.py

在這一點(diǎn)上，如果你喜歡，你可以使用一臺(tái)不同的機(jī)器，并在你的網(wǎng)絡(luò)上啟動(dòng)不同的節(jié)點(diǎn)。 或者使用同一臺(tái)機(jī)器上的不同端口啟動(dòng)進(jìn)程。 我在我的機(jī)器上，不同的端口上創(chuàng)建了另一個(gè)節(jié)點(diǎn)，并將其注冊(cè)到當(dāng)前節(jié)點(diǎn)。 因此，我有兩個(gè)節(jié)點(diǎn)：http://localhost:5000 和 http://localhost:5001。 注冊(cè)一個(gè)新節(jié)點(diǎn)：

然后我在節(jié)點(diǎn) 2 上挖掘了一些新的塊，以確保鏈條更長(zhǎng)。 之后，我在節(jié)點(diǎn)1上調(diào)用 GET /nodes/resolve，其中鏈由一致性算法取代：

這是一個(gè)包，去找一些朋友一起，以幫助測(cè)試你的區(qū)塊鏈。

我希望本文能激勵(lì)你創(chuàng)造更多新東西。我之所以對(duì)數(shù)字貨幣入迷，是因?yàn)槲蚁嘈艆^(qū)塊鏈會(huì)很快改變我們看待事物的方式，包括經(jīng)濟(jì)、政府、檔案管理等。