用Python從零開始建立區塊鏈

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本文主要內容翻譯自Learn Blockchains by Building One
本文原始連結,轉載請註明出處。
作者認為最快的學習區塊鏈的方式是自己建立一個，本文就跟隨作者用Python來建立一個區塊鏈。

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請求有基本的瞭解。

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、檔案或任何你想要的資料，重要的是它們是通過雜湊值（hashes）連結起來的。

如果你還不是很瞭解雜湊，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：

pip install Flask==0.12.2 requests==2.18.4

同時還需要一個HTTP用戶端，比如Postman，cURL或其它用戶端。

參考原始碼（原代碼在我翻譯的時候，無法運行，我fork了一份，修複了其中的錯誤，並添加了翻譯，感謝star）

開始建立Blockchain

建立一個檔案 blockchain.py，本文所有的代碼都寫在這一個檔案中，可以隨時參考原始碼

Blockchain類

首先建立一個Blockchain類，在建構函式中建立了兩個列表，一個用於儲存區塊鏈，一個用於儲存交易。

以下是Blockchain類的架構：

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，它能儲存體交易，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時間戳記（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：

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

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{% post_link whatbc 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

class Blockchain(object):    ...    def new_transaction(self, sender, recipient, amount):        """        產生新交易資訊，資訊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，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，等下在使用者提交交易時會有用。

建立新塊

當Blockchain執行個體化後，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：

import hashlibimport jsonfrom time import timeclass 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):        """        產生新塊        :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):        """        產生新交易資訊，資訊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):        """        產生塊的 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瞭解，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：

from hashlib import sha256x = 5y = 0  # y未知while sha256(f‘{x*y}‘.encode()).hexdigest()[-1] != "0":    y += 1print(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的工作量證明演算法，它和上面的問題很類似。礦工們為了爭奪建立區塊的權利而爭相計算結果。通常，計算難度與目標字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 拼接成的字串的 Hash 值以 4 個零開頭。

import hashlibimport jsonfrom time import timefrom uuid import uuid4class Blockchain(object):    ...    def proof_of_work(self, last_proof):        """        簡單的工作量證明:         - 尋找一個 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個來用於示範，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來進行互動。

Blockchain作為API介面

我們將使用Python Flask架構，這是一個輕量Web應用程式框架，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。

我們將建立三個介面：

• /transactions/new 建立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

建立節點

我們的“Flask伺服器”將扮演區塊鏈網路中的一個節點。我們先添加一些架構代碼：

import hashlibimport jsonfrom textwrap import dedentfrom time import timefrom uuid import uuid4from flask import Flaskclass Blockchain(object):    ...# Instantiate our Nodeapp = Flask(__name__)# Generate a globally unique address for this nodenode_identifier = str(uuid4()).replace(‘-‘, ‘‘)# Instantiate the Blockchainblockchain = 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), 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: 建立一個節點.
第18行: 為節點建立一個隨機的名字.
第21行: 執行個體Blockchain類.
第24–26行: 建立/mine GET介面。
第28–30行: 建立/transactions/new POST介面,可以給介面發送交易資料.
第32–38行: 建立 /chain 介面, 返回整個區塊鏈。
第40–41行: 服務運行在連接埠5000上.

發送交易

發送到節點的交易資料結構如下：

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

之前已經有添加交易的方法，基於介面來添加交易就很簡單了

import hashlibimport jsonfrom textwrap import dedentfrom time import timefrom uuid import uuid4from 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. 構造新區塊並將其添加到鏈中

import hashlibimport jsonfrom time import timefrom uuid import uuid4from 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.    # 寄件者為 "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類方法進行互動。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進行互動

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"

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

{  "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。每個節點都需要儲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：

1. /nodes/register 接收URL形式的新節點列表
2. /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：

...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，為瞭解決這個問題，規定最長的、有效鏈才是最終的鏈，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

...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 = 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):        """        共識演算法解決衝突        使用網路中最長的鏈.        :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，遍曆每個塊驗證hash和proof.

第2個方法 resolve_conflicts() 用來解決衝突，遍曆所有的鄰居節點，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。

@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，或在一台機機開啟不同的網路連接埠來類比多節點的網路，這裡在同一台機器開啟不同的連接埠示範，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.pypipenv run python blockchain.py -p 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上提供者/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

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