分分鐘叫你用Python創建一個區塊鏈！

知識 02-28

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。

對數字貨幣的崛起感到新奇的我們，並且想知道其背後的技術——區塊鏈是怎樣實現的。

但是完全搞懂區塊鏈並非易事，我喜歡在實踐中學習，通過寫代碼來學習技術會掌握得更牢固。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，並且需要對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。

如果你還不是很了解哈希，可以查看這篇文章

環境準備

環境準備，確保已經安裝Python3.6+, pip , Flask, requests

安裝方法：

同時還需要一個HTTP客戶端，比如Postman，cURL或其它客戶端。

參考源代碼（原代碼在我翻譯的時候，無法運行，我fork了一份，修復了其中的錯誤，並添加了翻譯，感謝star）

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，可以隨時參考源代碼

Blockchain類

首先創建一個Blockchain類，在構造函數中創建了兩個列表，一個用於儲存區塊鏈，一個用於儲存交易。

以下是Blockchain類的框架：

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（稍後解釋）以及前一個區塊的Hash值。

以下是一個區塊的結構：

到這裡，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，那麼後面所有區塊的Hash都會變得不正確。不理解的話，慢慢消化，可參考區塊鏈記賬原理

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

方法向列表中添加一個交易記錄，並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實例化後，我們需要構造一個創世塊（沒有前區塊的第一個區塊），並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，稍後會繼續講解。

為了構造創世塊，我們還需要完善new_block(), new_transaction() 和hash() 方法：

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麼挖出來的。

理解工作量證明

新的區塊依賴工作量證明演算法（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。設變數 x = 5，求 y 的值？

用Python實現如下：

結果是y=21. 因為：

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

當然，在網路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演算法，規則是：尋找一個數 p，使得它與前一個區塊的 proof 拼接成的字元串的 Hash 值以 4 個零開頭。

衡量演算法複雜度的辦法是修改零開頭的個數。使用4個來用於演示，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介面

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

我們將創建三個介面：

/transactions/new 創建一個交易並添加到區塊

/mine 告訴伺服器去挖掘新的區塊

/chain 返回整個區塊鏈

創建節點

我們的「Flask伺服器」將扮演區塊鏈網路中的一個節點。我們先添加一些框架代碼：

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介面。

第28–30行: 創建/transactions/new POST介面,可以給介面發送交易數據.

第32–38行: 創建 /chain 介面, 返回整個區塊鏈。

第40–41行: 服務運行在埠5000上.

發送交易

發送到節點的交易數據結構如下：

之前已經有添加交易的方法，基於介面來添加交易就很簡單了

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

構造新區塊並將其添加到鏈中

注意交易的接收者是我們自己的伺服器節點，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:

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：

在挖了兩次礦之後，就有3個塊了，通過請求 http://localhost:5000/chain 可以得到所有的塊信息。

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散式的。既然是分散式的，那麼我們究竟拿什麼保證所有節點有同樣的鏈呢？這就是一致性問題，我們要想在網路上有多個節點，就必須實現一個一致性的演算法。

註冊節點

在實現一致性演算法之前，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路中其它節點的記錄。因此讓我們新增幾個介面：

/nodes/register 接收URL形式的新節點列表

/nodes/resolve 執行一致性演算法，解決任何衝突，確保節點擁有正確的鏈

我們修改下Blockchain的init函數並提供一個註冊節點方法：

我們用 set 來儲存節點，這是一種避免重複添加節點的簡單方法。

實現共識演算法

前面提到，衝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，網路中有效最長鏈才是實際的鏈。

我們使用一下的演算法，來達到網路中的共識

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2個方法 resolve_conflicts() 用來解決衝突，遍歷所有的鄰居節點，並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，一個用來註冊節點，一個用來解決衝突。

你可以在不同的機器運行節點，或在一台機機開啟不同的網路埠來模擬多節點的網路，這裡在同一台機器開啟不同的埠演示，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

然後在節點2上挖兩個塊，確保是更長的鏈，然後在節點1上訪問介面/nodes/resolve ,這時節點1的鏈會通過共識演算法被節點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

來源：https://learnblockchain.cn/2017/10/27/build_blockchain_by_python/

源碼：https://github.com/xilibi2003/blockchain