使用Python一步步搭建自己的區(qū)塊鏈

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.py

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.py

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.py

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(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，這是挖礦的結果（或工作證明）。 我們稍后會詳細討論挖礦。

除了在構造函數(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.py

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 結尾，即 hash（x * y） = ac23dc.。.0。設 x = 5，求 y ？用 Python 實現(xiàn)：

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?yōu)榱藸帄Z創(chuàng)建區(qū)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(shù)量成正比，礦工算出結果后，就會獲得一定數(shù)量的比特幣獎勵（通過交易）。

驗證結果，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.py

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.py

簡單的說明一下以上代碼：

第 15 行：實例化節(jié)點。閱讀更多關于 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)結構如下：

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.py

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(qū)塊并將其添加到鏈中

blockchain.py

return jsonify（response）， 200

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

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：

blockchain.py

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

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

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。