埃达斯教你用Python创建一个区块链

区块链最近很火，那么对数字货币的崛起感到新奇的我们，并且想知道其背后的技术——区块链是怎样实现的。

但是完全搞懂区块链并非易事，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。通过构建一个区块链可以加深对区块链的理解。

环境准备！

环境准备，确保已经安装Python3.6+, pip , Flask, requests

安装方法：

pip install Flask==0.12.2 requests==2.18.4

同时还需要一个HTTP客户端，比如Postman，cURL或其它客户端。

开始创建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，可以随时参考源代码

Blockchain类

首先创建一个Blockchain类，在构造函数中创建了两个列表，一个用于储存区块链，一个用于储存交易。

以下是Blockchain类的框架：

classBlockchain(object):

def__init__(self):

self.chain = []

self.current_transactions = []

defnew_block(self):

# Creates a new Block and adds it to the chain

pass

defnew_transaction(self):

# Adds a new transaction to the list of transactions

pass

@staticmethod

defhash(block):

# Hashes a Block

pass

@property

deflast_block(self):

# Returns the last Block in the chain

pass

Blockchain类用来管理链条，它能存储交易，加入新块等，下面我们来进一步完善这些方法。

块结构

每个区块包含属性：索引（index），Unix时间戳（timestamp），交易列表（transactions），工作量证明（稍后解释）以及前一个区块的Hash值。以下是一个区块的结构：

block = {

'index':1,

'timestamp':1506057125.900785,

'transactions': [

{

'sender':"8527147fe1f5426f9dd545de4b27ee00",

'recipient':"a77f5cdfa2934df3954a5c7c7da5df1f",

'amount':5,

}

],

'proof':324984774000,

'previous_hash':"2cf24dba5fb0a30e26e83b2ac5b9e29e1b161e5c1fa7425e73043362938b9824"

}

到这里，区块链的概念就清楚了，每个新的区块都包含上一个区块的Hash，这是关键的一点，它保障了区块链不可变性。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。不理解的话，慢慢消化，可参考区块链记账原理。

加入交易

接下来我们需要添加一个交易，来完善下new_transaction方法：

classBlockchain(object):

...

defnew_transaction(self,sender,recipient,amount):

"""

生成新交易信息，信息将加入到下一个待挖的区块中

:paramsender: Address of the Sender

:paramrecipient: Address of the Recipient

:paramamount: Amount

:return: The index of the Block that will hold this transaction

"""

self.current_transactions.append({'sender': sender,'recipient': recipient,'amount': amount,})

returnself.last_block['index'] +1

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，等下在用户提交交易时会有用。

创建新块

当Blockchain实例化后，我们需要构造一个创世块（没有前区块的第一个区块），并且给它加上一个工作量证明。

每个区块都需要经过工作量证明，俗称挖矿，稍后会继续讲解。

为了构造创世块，我们还需要完善new_block(), new_transaction() 和hash() 方法：

importhashlib

importjson

fromtimeimporttime

classBlockchain(object):

def__init__(self):

self.current_transactions = []

self.chain = []

# Create the genesis block

self.new_block(previous_hash=1,proof=100)

defnew_block(self,proof,previous_hash=None):

"""

生成新块

:paramproof: The proof given by the Proof of Work algorithm

:paramprevious_hash: (Optional) Hash of previous Block

:return: New Block

"""

block = {

'index':len(self.chain) +1,

'timestamp': time(),

'transactions':self.current_transactions,

'proof': proof,

'previous_hash': previous_hashorself.hash(self.chain[-1]),

}

# Reset the current list of transactions

self.current_transactions = []

self.chain.append(block)

returnblock

defnew_transaction(self,sender,recipient,amount):

"""

生成新交易信息，信息将加入到下一个待挖的区块中

:paramsender: Address of the Sender

:paramrecipient: Address of the Recipient

:paramamount: Amount

:return: The index of the Block that will hold this transaction

"""

self.current_transactions.append({

'sender': sender,

'recipient': recipient,

'amount': amount,

})

returnself.last_block['index'] +1

@property

deflast_block(self):

returnself.chain[-1]

@staticmethod

defhash(block):

"""

生成块的 SHA-256 hash值

:paramblock: Block

:return:

"""

# We must make sure that the Dictionary is Ordered, or we'll have inconsistent hashes

block_string = json.dumps(block,sort_keys=True).encode()

returnhashlib.sha256(block_string).hexdigest()

通过上面的代码和注释可以对区块链有直观的了解，接下来我们看看区块是怎么挖出来的。

理解工作量证明

新的区块依赖工作量证明算法（PoW）来构造。PoW的目标是找出一个符合特定条件的数字，这个数字很难计算出来，但容易验证。这就是工作量证明的核心思想。

在比特币中，使用称为Hashcash的工作量证明算法，它和上面的问题很类似。矿工们为了争夺创建区块的权利而争相计算结果。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，会获得比特币奖励。

当然，在网络上非常容易验证这个结果。

实现工作量证明

让我们来实现一个相似PoW算法，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。

importhashlib

importjson

fromtimeimporttime

fromuuidimportuuid4

classBlockchain(object):

...

defproof_of_work(self,last_proof):

"""

简单的工作量证明:

- 查找一个 p' 使得 hash(pp') 以4个0开头

- p 是上一个块的证明, p' 是当前的证明

:paramlast_proof:

:return:

"""

proof =

whileself.valid_proof(last_proof,proof)is False:

proof +=1

returnproof

@staticmethod

defvalid_proof(last_proof,proof):

"""

验证证明: 是否hash(last_proof, proof)以4个0开头?

:paramlast_proof: Previous Proof

:paramproof: Current Proof

:return: True if correct, False if not.

"""

guess =f''.encode()

guess_hash = hashlib.sha256(guess).hexdigest()

returnguess_hash[:4] =="0000"

衡量算法复杂度的办法是修改零开头的个数。使用4个来用于演示，你会发现多一个零都会大大增加计算出结果所需的时间。

现在Blockchain类基本已经完成了，接下来使用HTTP requests来进行交互。

我们将创建三个接口：

/transactions/new 创建一个交易并添加到区块

/mine 告诉服务器去挖掘新的区块

/chain 返回整个区块链

创建节点

我们的“Flask服务器”将扮演区块链网络中的一个节点。我们先添加一些框架代码：

importhashlib

importjson

fromtextwrapimportdedent

fromtimeimporttime

fromuuidimportuuid4

fromflaskimportFlask

classBlockchain(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'])

defmine():

return"We'll mine a new Block"

@app.route('/transactions/new',methods=['POST'])

defnew_transaction():

return"We'll add a new transaction"

@app.route('/chain',methods=['GET'])

deffull_chain():

response = {'chain': blockchain.chain,'length':len(blockchain.chain),}

returnjsonify(response),200

if__name__ =='__main__':

app.run(host='0.0.0.0',port=5000)

简单的说明一下以上代码：

第15行: 创建一个节点.

第18行: 为节点创建一个随机的名字.

第21行: 实例Blockchain类.

第24–26行: 创建/mine GET接口。

第28–30行: 创建/transactions/new POST接口,可以给接口发送交易数据.

第32–38行: 创建 /chain 接口, 返回整个区块链。

第40–41行: 服务运行在端口5000上

发送交易

发送到节点的交易数据结构如下：

{

"sender":"my address",

"recipient":"someone else's address",

"amount":5

}

之前已经有添加交易的方法，基于接口来添加交易就很简单了

importhashlib

importjson

fromtextwrapimportdedent

fromtimeimporttime

fromuuidimportuuid4

fromflaskimportFlask,jsonify,request

...

@app.route('/transactions/new',methods=['POST'])

defnew_transaction():

values = request.get_json()

# Check that the required fields are in the POST'ed data

required = ['sender','recipient','amount']

if notall(kinvaluesforkinrequired):

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 '}

returnjsonify(response),201

挖矿

挖矿正是神奇所在，它很简单，做了一下三件事：

计算工作量证明PoW

通过新增一个交易授予矿工（自己）一个币

构造新区块并将其添加到链中

importhashlib

importjson

fromtimeimporttime

fromuuidimportuuid4

fromflaskimportFlask,jsonify,request

...

@app.route('/mine',methods=['GET'])

defmine():

# 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)

# 给工作量证明的节点提供奖励.

# 发送者为 "0" 表明是新挖出的币

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'],

}

returnjsonify(response),200

注意交易的接收者是我们自己的服务器节点，我们做的大部分工作都只是围绕Blockchain类方法进行交互。到此，我们的区块链就算完成了。

好啦，你可以邀请朋友们一起来玩一玩你的区块链。