用 Python 撸一个区块链

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相信你和我一样对数字货币的崛起感到新奇,并且想知道其背后的技术——区块链是怎样实现的。

但是理解区块链并非易事,至少对于我来说是如此。晦涩难懂的视频、漏洞百出的教程以及示例的匮乏令我倍受挫折。

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。如果你也这样做,那么读完本文,你将获得一个可用的区块链以及对区块链的深刻理解。

开始之前...

首先你需要知道区块链是由被称为区块的记录构成的不可变的、有序的链式结构,这些记录可以是交易、文件或任何你想要的数据,最重要的是它们是通过 Hash 连接起来的。

如果你不了解 Hash,这里有个例子

其次,你需要安装 Python3.6+,Flask,Request

同时你还需要一个 HTTP 客户端,比如 Postman,cURL 或任何其它客户端。

最终的源代码在这里:

第一步: 打造一个 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。首先创建一个 Blockchain 类,在构造函数中我们创建了两个列表,一个用于储存区块链,一个用于储存交易。

一个区块有五个基本属性:index,timestamp(in Unix time),transaction 列表,工作量证明(稍后解释)以及前一个区块的 Hash 值。

到这里,区块链的概念应该比较清楚了:每个新的区块都会包含上一个区块的 Hash 值。这一点非常关键,它是区块链不可变性的根本保障。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?慢慢消化~

我们需要一个向区块添加交易的方法:

new_transaction() 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,稍后在用户提交交易时会有用。

当 Blockchain 实例化后,我们需要创建一个初始的区块(创世块),并且给它预设一个工作量证明。

除了添加创世块的代码,我们还需要补充 newblock(), newtransaction() 和 hash() 方法:

上面的代码应该很直观,我们基本上有了区块链的雏形。但此时你肯定很想知道一个区块究竟是怎样被创建或挖掘出来的。

新的区块来自工作量证明(PoW)算法。PoW 的目标是计算出一个符合特定条件的数字,这个数字对于所有人而言必须在计算上非常困难,但易于验证。这就是工作量证明的核心思想。

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 x = 5,求 y?

结果是 y = 21 // hash(5 * 21) = 1253e9373e...5e3600155e860

在比特币中,工作量证明算法被称为 Hashcash,它和上面的问题很相似,只不过计算难度非常大。这就是矿工们为了争夺创建区块的权利而争相计算的问题。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,就会获得一定数量的比特币奖励(通过交易)。

网络要验证结果,当然非常容易。

让我们来实现一个 PoW 算法,和上面的例子非常相似,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。

衡量算法复杂度的办法是修改零的个数。4 个零足够用于演示了,你会发现哪怕多一个零都会大大增加计算出结果所需的时间。

我们的 Blockchain 基本已经完成了,接下来我们将使用 HTTP requests 来与之交互。

第二步:作为 API 的 Blockchain

我们将使用 Flask 框架,它十分轻量并且很容易将网络请求映射到 Python 函数。

我们将创建三个接口:

我们的服务器将扮演区块链网络中的一个节点。我们先添加一些常规代码:

这是用户发起交易时发送到服务器的请求:

我们已经有了向区块添加交易的方法,因此剩下的部分就很简单了:

挖掘端正是奇迹发生的地方,它只做三件事:计算 PoW;通过新增一个交易授予矿工一定数量的比特币;构造新的区块并将其添加到区块链中。

需注意交易的接收者是我们自己的服务器节点,目前我们做的大部分事情都只是围绕 Blockchain 类进行交互。到此,我们的区块链就算完成了。

第三步:交互演示

使用 Postman 演示,略。

第四步:一致性

这真的很棒,我们已经有了一个基本的区块链可以添加交易和挖矿。但是,整个区块链系统必须是分布式的。既然是分布式的,那么我们究竟拿什么保证所有节点运行在同一条链上呢?这就是一致性问题,我们要想在网络中添加新的节点,就必须实现保证一致性的算法。

在实现一致性算法之前,我们需要找到一种方式让一个节点知道它相邻的节点。每个节点都需要保存一份包含网络中其它节点的记录。让我们新增几个接口:

注意到我们用 set 来储存节点,这是一种避免重复添加节点的简便方法。

前面提到的冲突是指不同的节点拥有的链存在差异,要解决这个问题,我们规定最长的合规的链就是最有效的链,换句话说,只有最长且合规的链才是实际存在的链。

让我们再添加两个方法,一个用于添加相邻节点,另一个用于解决冲突。

现在你可以新开一台机器,或者在本机上开启不同的网络接口来模拟多节点的网络,或者邀请一些朋友一起来测试你的区块链。

我希望本文能激励你创造更多新东西。我之所以对数字货币入迷,是因为我相信区块链会很快改变我们看待事物的方式,包括经济、政府、档案管理等。

译者:kidney,略有删改

原文地址:https://hackernoon.com/learn-blockchains-by-building-one-117428612f46

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