使用 Python 一步步搭建自己的区块链
你是否會和我一樣，對加密數(shù)字貨幣底層的區(qū)塊鏈技術非常感興趣，特別想了解他們的運行機制。
但是學習區(qū)塊鏈技術并非一帆風順，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戰(zhàn)課程太少。
我喜歡在實踐中學習，尤其喜歡一代碼為基礎去了解整個工作機制。如果你我一樣喜歡這種學習方式，當你學完本教程時，你將會知道區(qū)塊鏈技術是如何工作的。
寫在開始之前
記住，區(qū)塊鏈是一個 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, 這里是一個解釋.
該指南的目的是什么? 你可以舒服地閱讀和編寫基礎的Python，因為我們將通過HTTP與區(qū)塊鏈進行討論，所以你也要了解HTTP的工作原理。
我需要準備什么? 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
對了, 你還需要一個支持HTTP的客戶端, 比如 Postman 或者 cURL，其他也可以。
源碼在哪兒??可以點擊這里
Step 1: 創(chuàng)建一個區(qū)塊鏈
打開你最喜歡的文本編輯器或者IDE, 我個人比較喜歡 PyCharm. 新建一個名為blockchain.py的文件。 我們將只用這一個文件就可以。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
我們要創(chuàng)建一個 Blockchain 類 ，他的構(gòu)造函數(shù)創(chuàng)建了一個初始化的空列表（要存儲我們的區(qū)塊鏈），并且另一個存儲交易。下面是我們這個類的實例:
blockchain.pyclass Blockchain(object):def __init__(self):self.chain = []self.current_transactions = []def new_block(self):# Creates a new Block and adds it to the chainpassdef new_transaction(self):# Adds a new transaction to the list of transactionspassdef hash(block):# Hashes a Blockpassdef last_block(self):# Returns the last Block in the chainpass我們的 Blockchain 類負責管理鏈式數(shù)據(jù)，它會存儲交易并且還有添加新的區(qū)塊到鏈式數(shù)據(jù)的Method。讓我們開始擴充更多Method
塊是什么樣的 ?
每個塊都有一個 索引，一個 時間戳（Unix時間戳），一個事務列表， 一個 校驗(稍后詳述) 和 前一個塊的散列 。
下面是一個Block的例子 ：
blockchain.pyblock = {'index': 1,'timestamp': 1506057125.900785,'transactions': [{'sender': "8527147fe1f5426f9dd545de4b27ee00",'recipient': "a77f5cdfa2934df3954a5c7c7da5df1f",'amount': 5,}],'proof': 324984774000,'previous_hash': "2cf24dba5fb0a30e26e83b2ac5b9e29e1b161e5c1fa7425e73043362938b9824" }在這一點上，一個 區(qū)塊鏈 的概念應該是明顯的 - 每個新塊都包含在其內(nèi)的前一個塊的 散列 。 這是至關重要的，因為這是 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，花點時間仔細思考一下 - 這是區(qū)塊鏈背后的核心理念
添加交易到區(qū)塊
我們將需要一個添加交易到區(qū)塊的方式。我們的 new_transaction()方法的責任就是這個， 并且它非常的簡單:
blockchain.pyclass Blockchain(object):...def new_transaction(self, sender, recipient, amount):"""Creates a new transaction to go into the next mined Block: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'] + 1new_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---講開采下一個這對稍后對提交交易的用戶有用。
創(chuàng)建新的區(qū)塊
當我們的 Blockchain 被實例化后，我們需要將 創(chuàng)世 區(qū)塊（一個沒有前導區(qū)塊的區(qū)塊）添加進去進去。我們還需要向我們的起源塊添加一個 證明，這是挖礦的結(jié)果(或工作證明)。 我們稍后會詳細討論挖礦。
除了在構(gòu)造函數(shù)中創(chuàng)建 創(chuàng)世 區(qū)塊外，我們還會補全 new_block() 、 new_transaction() 和 hash() 函數(shù)：
blockchain.pyimport hashlib import json from time import timeclass Blockchain(object):def __init__(self):self.current_transactions = []self.chain = []# 創(chuàng)建創(chuàng)世區(qū)塊self.new_block(previous_hash=1, proof=100)def new_block(self, proof, previous_hash=None):"""創(chuàng)建一個新的區(qū)塊到區(qū)塊鏈中:param proof: <int> 由工作證明算法生成的證明:param previous_hash: (Optional) <str> 前一個區(qū)塊的 hash 值:return: <dict> 新區(qū)塊"""block = {'index': len(self.chain) + 1,'timestamp': time(),'transactions': self.current_transactions,'proof': proof,'previous_hash': previous_hash or self.hash(self.chain[-1]),}# 重置當前交易記錄self.current_transactions = []self.chain.append(block)return blockdef new_transaction(self, sender, recipient, amount):"""創(chuàng)建一筆新的交易到下一個被挖掘的區(qū)塊中:param sender: <str> 發(fā)送人的地址:param recipient: <str> 接收人的地址:param amount: <int> 金額:return: <int> 持有本次交易的區(qū)塊索引"""self.current_transactions.append({'sender': sender,'recipient': recipient,'amount': amount,})return self.last_block['index'] + 1def last_block(self):return self.chain[-1]def hash(block):"""給一個區(qū)塊生成 SHA-256 值:param block: <dict> Block:return: <str>"""# 我們必須確保這個字典（區(qū)塊）是經(jīng)過排序的，否則我們將會得到不一致的散列block_string = json.dumps(block, sort_keys=True).encode()return hashlib.sha256(block_string).hexdigest()上面的代碼應該是直白的 --- 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。 但在這個時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 的目標是計算出一個符合特定條件的數(shù)字，這個數(shù)字對于所有人而言必須在計算上非常困難，但易于驗證。這是工作證明背后的核心思想。
我們將看到一個簡單的例子幫助你理解：
假設一個整數(shù) x 乘以另一個整數(shù) y 的積的 Hash 值必須以 0 結(jié)尾，即 hash(x * y) = ac23dc...0。設 x = 5，求 y ？用 Python 實現(xiàn)：
from hashlib import sha256 x = 5 y = 0 # We don't know what y should be yet... while sha256(f'{x*y}'.encode()).hexdigest()[-1] != "0":y += 1 print(f'The solution is y = {y}')結(jié)果是： y = 21。因為，生成的 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，只不過計算難度非常大。這就是礦工們?yōu)榱藸帄Z創(chuàng)建區(qū)塊的權(quán)利而爭相計算的問題。 通常，計算難度與目標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，就會獲得一定數(shù)量的比特幣獎勵（通過交易）。
驗證結(jié)果，當然非常容易。
實現(xiàn)工作量證明
讓我們來實現(xiàn)一個相似 PoW 算法。規(guī)則類似上面的例子：
找到一個數(shù)字 P ，使得它與前一個區(qū)塊的 proof 拼接成的字符串的 Hash 值以 4 個零開頭。
blockchain.pyimport hashlib import jsonfrom time import time from uuid import uuid4class Blockchain(object):...def proof_of_work(self, last_proof):"""Simple Proof of Work Algorithm:- Find a number p' such that hash(pp') contains leading 4 zeroes, where p is the previous p'- p is the previous proof, and p' is the new proof:param last_proof: <int>:return: <int>"""proof = 0while self.valid_proof(last_proof, proof) is False:proof += 1return proofdef valid_proof(last_proof, proof):"""Validates the Proof: Does hash(last_proof, proof) contain 4 leading zeroes?: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(shù)。使用 4 個來用于演示，你會發(fā)現(xiàn)多一個零都會大大增加計算出結(jié)果所需的時間。
現(xiàn)在 Blockchain 類基本已經(jīng)完成了，接下來使用 HTTP requests 來進行交互。
Step 2: 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(wǎng)絡請求映射到 Python 函數(shù)，現(xiàn)在我們來讓 Blockchain 運行在基于 Flask web 上。
我們將創(chuàng)建三個接口：
/transactions/new 創(chuàng)建一個交易并添加到區(qū)塊
/mine 告訴服務器去挖掘新的區(qū)塊
/chain 返回整個區(qū)塊鏈
創(chuàng)建節(jié)點
我們的“Flask 服務器”將扮演區(qū)塊鏈網(wǎng)絡中的一個節(jié)點。我們先添加一些框架代碼：
blockchain.pyimport hashlib import json from textwrap import dedent from time import time from uuid import uuid4from flask import Flaskclass 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() def mine():return "We'll mine a new Block" def new_transaction():return "We'll add a new transaction" 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：實例化節(jié)點。關于 Flask 內(nèi)容。
第 18 行：為節(jié)點創(chuàng)建一個隨機的名稱。.
第 21 行：實例化 Blockchain 類。
第 24--26 行：創(chuàng)建 /mine 接口，GET 方式請求。
第 28--30 行：創(chuàng)建 /transactions/new 接口，POST 方式請求，可以給接口發(fā)送交易數(shù)據(jù)。
第 32--38 行：創(chuàng)建 /chain 接口，返回整個區(qū)塊鏈。
第 40--41 行：服務器運行端口 5000 。
發(fā)送交易
發(fā)送到節(jié)點的交易數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：
因為我們已經(jīng)有了添加交易的方法，所以基于接口來添加交易就很簡單了。讓我們?yōu)樘砑邮聞諏懞瘮?shù):
blockchain.pyimport hashlib import json from textwrap import dedent from time import time from uuid import uuid4from flask import Flask, jsonify, request... def new_transaction():values = request.get_json()# Check that the required fields are in the POST'ed datarequired = ['sender', 'recipient', 'amount']if not all(k in values for k in required):return 'Missing values', 400# Create a new Transactionindex = 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：
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(gòu)造新區(qū)塊并將其添加到鏈中
注意交易的接收者是我們自己的服務器節(jié)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(qū)塊鏈就算完成了，我們來實際運行下.
Step 3: 運行區(qū)塊鏈
你可以使用 cURL 或 Postman 去和 API 進行交互
啟動 Server：
$ python blockchain.py * Running on http://127.0.0.1:5000/ (Press CTRL+C to quit)讓我們通過請求?http://localhost:5000/mine（ GET ）來進行挖礦：
用 Postman 發(fā)起一個 GET 請求.
創(chuàng)建一個交易請求，請求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 }STEP 4: 一致性（共識）
我們已經(jīng)有了一個基本的區(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)點有同樣的鏈呢？這就是一致性問題，我們要想在網(wǎng)絡上有多個節(jié)點，就必須實現(xiàn)一個一致性的算法
注冊節(jié)點
在實現(xiàn)一致性算法之前，我們需要找到一種方式讓一個節(jié)點知道它相鄰的節(jié)點。每個節(jié)點都需要保存一份包含網(wǎng)絡中其它節(jié)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(jié)點列表.
/nodes/resolve 執(zhí)行一致性算法，解決任何沖突，確保節(jié)點擁有正確的鏈.
我們修改下 Blockchain 的 init 函數(shù)并提供一個注冊節(jié)點方法：
我們用 set 來儲存節(jié)點，這是一種避免重復添加節(jié)點的簡單方法.
實現(xiàn)共識算法
就像先前講的那樣，當一個節(jié)點與另一個節(jié)點有不同的鏈時，就會產(chǎn)生沖突。 為了解決這個問題，我們將制定最長的有效鏈條是最權(quán)威的規(guī)則。換句話說就是：在這個網(wǎng)絡里最長的鏈就是最權(quán)威的。 我們將使用這個算法，在網(wǎng)絡中的節(jié)點之間達成共識。
blockchain.py... 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 = 1while 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 correctif block['previous_hash'] != self.hash(last_block):return False# Check that the Proof of Work is correctif not self.valid_proof(last_block['proof'], block['proof']):return Falselast_block = blockcurrent_index += 1return Truedef resolve_conflicts(self):"""This is our Consensus Algorithm, it resolves conflictsby replacing our chain with the longest one in the network.:return: <bool> True if our chain was replaced, False if not"""neighbours = self.nodesnew_chain = None# We're only looking for chains longer than oursmax_length = len(self.chain)# Grab and verify the chains from all the nodes in our networkfor 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 validif length > max_length and self.valid_chain(chain):max_length = lengthnew_chain = chain# Replace our chain if we discovered a new, valid chain longer than oursif new_chain:self.chain = new_chainreturn Truereturn False第一個方法 valid_chain() 負責檢查一個鏈是否有效，方法是遍歷每個塊并驗證散列和證明。
resolve_conflicts() 是一個遍歷我們所有鄰居節(jié)點的方法，下載它們的鏈并使用上面的方法驗證它們。 如果找到一個長度大于我們的有效鏈條，我們就取代我們的鏈條。
我們將兩個端點注冊到我們的API中，一個用于添加相鄰節(jié)點，另一個用于解決沖突：
blockchain.py def register_nodes():values = request.get_json()nodes = values.get('nodes')if nodes is None:return "Error: Please supply a valid list of nodes", 400for node in nodes:blockchain.register_node(node)response = {'message': 'New nodes have been added','total_nodes': list(blockchain.nodes),}return jsonify(response), 201 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在這一點上，如果你喜歡，你可以使用一臺不同的機器，并在你的網(wǎng)絡上啟動不同的節(jié)點。 或者使用同一臺機器上的不同端口啟動進程。 我在我的機器上，不同的端口上創(chuàng)建了另一個節(jié)點，并將其注冊到當前節(jié)點。 因此，我有兩個節(jié)點：http://localhost:5000和?http://localhost:5001。 注冊一個新節(jié)點：
然后我在節(jié)點 2 上挖掘了一些新的塊，以確保鏈條更長。 之后，我在節(jié)點1上調(diào)用 GET /nodes/resolve，其中鏈由一致性算法取代：
這是一個包，去找一些朋友一起，以幫助測試你的區(qū)塊鏈。
我希望本文能激勵你創(chuàng)造更多新東西。我之所以對數(shù)字貨幣入迷，是因為我相信區(qū)塊鏈會很快改變我們看待事物的方式，包括經(jīng)濟、政府、檔案管理等。
原文鏈接：https://pythoncaff.com/topics/82/build-your-own-block-chain-step-by-step-with-python
總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的使用 Python 一步步搭建自己的区块链的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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