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使用Python 搭建自己的區塊鏈

來源：懂視網責編：小采時間：2020-11-02 18:25:24

使用Python 搭建自己的區塊鏈

使用Python 搭建自己的區塊鏈:【相關學習推薦：python教程】你是否會和我一樣，對加密數字貨幣底層的區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課程太少。我喜歡在實踐中學習，

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導讀使用Python 搭建自己的區塊鏈:【相關學習推薦：python教程】你是否會和我一樣，對加密數字貨幣底層的區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課程太少。我喜歡在實踐中學習，

【相關學習推薦：python教程】

你是否會和我一樣，對加密數字貨幣底層的區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，你將會知道區塊鏈技術是如何工作的。

寫在開始之前

記住，區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據。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: 創建一個區塊鏈

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.

描述區塊鏈

我們要創建一個 Blockchain 類，他的構造函數創建了一個初始化的空列表（要存儲我們的區塊鏈），并且另一個存儲交易。下面是我們這個類的實例:

blockchain.py

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

我們的 Blockchain 類負責管理鏈式數據，它會存儲交易并且還有添加新的區塊到鏈式數據的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.py

block = {
 'index': 1,
 'timestamp': 1506057125.900785,
 'transactions': [
 {
 'sender': "8527147fe1f5426f9dd545de4b27ee00",
 'recipient': "a77f5cdfa2934df3954a5c7c7da5df1f",
 'amount': 5,
 }
 ],
 'proof': 324984774000,
 'previous_hash': "2cf24dba5fb0a30e26e83b2ac5b9e29e1b161e5c1fa7425e73043362938b9824"
}

在這一點上，一個 區塊鏈 的概念應該是明顯的 - 每個新塊都包含在其內的前一個塊的 散列 。這是至關重要的，因為這是 區塊鏈 不可改變的原因：如果攻擊者損壞 區塊鏈 中較早的塊，則所有后續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 - 這是區塊鏈背后的核心理念。

添加交易到區塊

我們將需要一個添加交易到區塊的方式。我們的 new_transaction() 方法的責任就是這個，并且它非常的簡單：

blockchain.py

class 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'] + 1

new_transaction() 方法添加了交易到列表，它返回了交易將被添加到的區塊的索引---講開采下一個這對稍后對提交交易的用戶有用。

創建新的區塊

當我們的 Blockchain 被實例化后，我們需要將創世區塊（一個沒有前導區塊的區塊）添加進去進去。我們還需要向我們的起源塊添加一個證明，這是挖礦的結果(或工作證明)。我們稍后會詳細討論挖礦。

除了在構造函數中創建創世區塊外，我們還會補全 new_block() 、 new_transaction() 和 hash() 函數：

blockchain.py

import hashlib
import json
from time import time

class Blockchain(object):
 def __init__(self):
 self.current_transactions = []
 self.chain = []

 # 創建創世區塊
 self.new_block(previous_hash=1, proof=100)

 def new_block(self, proof, previous_hash=None):
 """
 創建一個新的區塊到區塊鏈中
 :param proof: <int> 由工作證明算法生成的證明
 :param previous_hash: (Optional) <str> 前一個區塊的 hash 值
 :return: <dict> 新區塊
 """

 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 block

 def new_transaction(self, sender, recipient, amount):
 """
 創建一筆新的交易到下一個被挖掘的區塊中
 :param sender: <str> 發送人的地址
 :param recipient: <str> 接收人的地址
 :param amount: <int> 金額
 :return: <int> 持有本次交易的區塊索引
 """
 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):
 """
 給一個區塊生成 SHA-256 值
 :param block: <dict> Block
 :return: <str>
 """

 # 我們必須確保這個字典（區塊）是經過排序的，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塊鏈。但在這個時候你一定很疑惑新的塊是怎么被創建、鍛造或挖掘的。

工作量證明算法

使用工作量證明（PoW）算法，來證明是如何在區塊鏈上創建或挖掘新的區塊。PoW 的目標是計算出一個符合特定條件的數字，這個數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 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 x = 5，求y 。

用 Python 實現：

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}')

結果是：y = 21。因為，生成的 Hash 值結尾必須為 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。這就是礦工們為了爭奪創建區塊的權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量成正比，礦工算出結果后，就會獲得一定數量的比特幣獎勵（通過交易）。

驗證結果，當然非常容易。

實現工作量證明

讓我們來實現一個相似 PoW 算法。規則類似上面的例子：

找到一個數字 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。

blockchain.py

import hashlib
import json

from time import time
from uuid import uuid4

class 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 = 0
 while self.valid_proof(last_proof, proof) is False:
 proof += 1

 return proof

 @staticmethod
 def 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。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。

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：

blockchain.py

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（實例化我們的節點）
app = Flask(__name__)

# Generate a globally unique address for this node（為這個節點生成一個全球唯一的地址）
node_identifier = str(uuid4()).replace('-', '')

# Instantiate the Blockchain（實例化 Blockchain類）
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：實例化節點。閱讀更多關于 Flask 內容。

第 18 行：為節點創建一個隨機的名稱。.

第 21 行：實例化 Blockchain 類。

第 24--26 行：創建 /mine 接口，GET 方式請求。

第 28--30 行：創建 /transactions/new 接口，POST 方式請求，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：服務器運行端口 5000 。

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
}

因為我們已經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。讓我們為添加事務寫函數：

blockchain.py

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：

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
構造新區塊并將其添加到鏈中

blockchain.py

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)

 # We must receive a reward for finding the proof.
 # The sender is "0" to signify that this node has mined a new coin.
 blockchain.new_transaction(
 sender="0",
 recipient=node_identifier,
 amount=1,
 )

 # Forge the new Block by adding it to the chain
 previous_hash = blockchain.hash(last_block)
 block = blockchain.new_block(proof, previous_hash)

 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。

Step 3: 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
* 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：

file

用 Postman 發起一個 GET 請求.

創建一個交易請求，請求 http://localhost:5000/transactions/new （POST）,如圖

file

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：

blockchain.py

...
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

就像先前講的那樣，當一個節點與另一個節點有不同的鏈時，就會產生沖突。為了解決這個問題，我們將制定最長的有效鏈條是最權威的規則。換句話說就是：在這個網絡里最長的鏈就是最權威的。我們將使用這個算法，在網絡中的節點之間達成共識。

blockchain.py

...
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("
-----------
")
 # 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):
 """
 This is our Consensus Algorithm, it resolves conflicts
 by replacing our chain with the longest one in the network.
 :return: <bool> True if our chain was replaced, False if not
 """

 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() 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點，另一個用于解決沖突：

blockchain.py

@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

在這一點上，如果你喜歡，你可以使用一臺不同的機器，并在你的網絡上啟動不同的節點。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，不同的端口上創建了另一個節點，并將其注冊到當前節點。因此，我有兩個節點：http://localhost:5000 和 http://localhost:5001。注冊一個新節點：

file