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對數字貨幣的崛起感到新奇的我們，并且想知道其背后的技術——區塊鏈是怎樣實現的。作者認為最快的學習區塊鏈的方式是自己創建一個，本文就跟隨作者用Python來創建一個區塊鏈。在實踐中學習，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，并且需要對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

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 

同時還需要一個HTTP客戶端，比如Postman，cURL或其它客戶端。參考

https://github.com/xilibi2003/blockchain

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

https://github.com/xilibi2003/blockchain

Blockchain類

首先創建一個Blockchain類，在構造函數中創建了兩個列表，一個用于儲存區塊鏈，一個用于儲存交易。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（稍后解釋）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"  
} 

到這里，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，那么后面所有區塊的Hash都會變得不正確。不理解的話，慢慢消化。

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，并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實例化后，我們需要構造一個創世塊（沒有前區塊的第一個區塊），并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，稍后會繼續講解。為了構造創世塊，我們還需要完善new_block(), new_transaction() 和hash() 方法：

 

import 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 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 we'll 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么挖出來的。

理解工作量證明

新的區塊依賴工作量證明算法（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，設變量 x = 5，求 y 的值？用Python實現如下：

 

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. 因為：

 

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

在比特幣中，使用稱為Hashcash的工作量證明算法，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，計算難度與目標字符串需要滿足的特定字符的數量成正比，礦工算出結果后，會獲得比特幣獎勵。

當然，在網絡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" 

衡量算法復雜度的辦法是修改零開頭的個數。使用4個來用于演示，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接口

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

我們將創建三個接口：

• /transactions/new 創建一個交易并添加到區塊
• /mine 告訴服務器去挖掘新的區塊
• /chain 返回整個區塊鏈

創建節點

我們的Flask服務器將扮演區塊鏈網絡中的一個節點。我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: 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接口。

第28–30行: 創建/transactions/new POST接口,可以給接口發送交易數據.

第32–38行: 創建 /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如下：

 

{  
"sender": "my address",  
"recipient": "someone else's address",  
"amount": 5  
} 

之前已經有添加交易的方法，基于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 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': 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，做了一下三件事：

1. 計算工作量證明PoW
2. 通過新增一個交易授予礦工（自己）一個幣
3. 構造新區塊并將其添加到鏈中

 

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服務器節點，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" 

在挖了兩次礦之后，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布式的。既然是分布式的，那么我們究竟拿什么保證所有節點有同樣的鏈呢？這就是一致性問題，我們要想在網絡上有多個節點，就必須實現一個一致性的算法。

注冊節點

在實現一致性算法之前，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絡中其它節點的記錄。因此讓我們新增幾個接口：

• /nodes/register 接收URL形式的新節點列表
• /nodes/resolve 執行一致性算法，解決任何沖突，確保節點擁有正確的鏈

我們修改下Blockchain的init函數并提供一個注冊節點方法：

 

...  
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，這是一種避免重復添加節點的簡單方法。

實現共識算法

前面提到，沖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，網絡中有效最長鏈才是實際的鏈。我們使用一下的算法，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 True  
 
   def resolve_conflicts(self):  
       """  
       共識算法解決沖突  
       使用網絡中最長的鏈.  
       :return: <bool> True 如果鏈被取代, 否則為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() 用來檢查是否是有效鏈，遍歷每個塊驗證hash和proof；第二個方法 resolve_conflicts() 用來解決沖突，遍歷所有的鄰居節點，并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，一個用來注冊節點，一個用來解決沖突。

 

@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，或在一臺機機開啟不同的網絡端口來模擬多節點的網絡，這里在同一臺機器開啟不同的端口演示，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.py  
pipenv run python blockchain.py -p 5001 

然后在節點2上挖兩個塊，確保是更長的鏈，然后在節點1上訪問接口/nodes/resolve ,這時節點1的鏈會通過共識算法被節點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！