使用 Python 一步步搭建自己的區塊鏈

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，特別想瞭解他們的運行機制。

但是學習區塊鏈技術並非一帆風順，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瞭解整個工作機制。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、檔案或任何您喜歡的資料。但重要的是，他們用雜湊 一起被連結在一起。

如果你不熟悉雜湊, 這裡是一個解釋.

該指南的目的是什麼? 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，所以你也要瞭解HTTP的工作原理。

我需要準備什麼? 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, 你還需要一個支援HTTP的用戶端, 比如 Postman 或者 cURL，其他也可以。
源碼在哪兒? 可以點擊這裡 Step 1: 建立一個區塊鏈

開啟你最喜歡的文字編輯器或者IDE, 我個人比較喜歡 PyCharm. 建立一個名為blockchain.py的檔案。 我們將只用這一個檔案就可以。但是如果你還是不太清楚, 你也可以參考 源碼. 描述區塊鏈

我們要建立一個 Blockchain 類 ，他的建構函式建立了一個初始化的空列表（要儲存我們的區塊鏈），並且另一個儲存體交易。下面是我們這個類的執行個體:

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 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 類負責管理鏈式資料，它會儲存體交易並且還有添加新的區塊到鏈式資料的Method。讓我們開始擴充更多Method 塊是什麼樣的 ?

每個塊都有一個 索引，一個 時間戳記（Unix時間戳記），一個事務列表， 一個 校正(稍後詳述) 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，則所有後續塊將包含不正確的雜湊值。

這有道理嗎。 如果你還沒有想通，花點時間仔細思考一下 - 這是區塊鏈背後的核心理念 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， 並且它非常的簡單:

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'] + 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---講開採下一個這對稍後對提交交易的使用者有用。 建立新的區塊

當我們的 Blockchain 被執行個體化後，我們需要將 創世 區塊（一個沒有前置區塊的區塊）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)。 我們稍後會詳細討論挖礦。

除了在建構函式中建立 創世 區塊外，我們還會補全 new_block() 、 new_transaction() 和 hash() 函數：

blockchain.pyimport hashlibimport jsonfrom time import timeclass Blockchain(object):    def __init__(self):        self.current_transactions = []        self.chain = []        # 建立創世區塊        self.new_block(previous_hash=1, proof=100)    def new_block(self, proof, previous_hash=None):        """        建立一個新的區塊到區塊鏈中        :param proof: <int> 由工作證明演算法產生的證明        :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]),        }        # 重設當前交易記錄        self.current_transactions = []        self.chain.append(block)        return block    def new_transaction(self, sender, recipient, amount):        """        建立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):        """        給一個區塊產生 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麼被建立、鍛造或挖掘的。 工作量證明演算法

使用工作量證明（PoW）演算法，來證明是如何在區塊鏈上建立或挖掘新的區塊。PoW 的目標是計算出一個符合特定條件的數字，這個數字對於所有人而言必須在計算上非常困難，但易於驗證。這是工作證明背後的核心思想。

我們將看到一個簡單的例子協助你理解：

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 sha256x = 5y = 0  # We don't know what y should be yet...while sha256(f'{x*y}'.encode()).hexdigest()[-1] != "0":    y += 1print(f'The solution is y = {y}')

結果是： y = 21。因為，產生的 Hash 值結尾必須為 0。

hash(5 * 21) = 1253e9373e...5e3600155e860

在比特幣中，工作量證明演算法被稱為 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建立區塊的權利而爭相計算的問題。 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，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 演算法。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 拼接成的字串的 Hash 值以 4 個零開頭。

blockchain.pyimport hashlibimport jsonfrom time import timefrom 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 = 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。 Step 2: Blockchain 作為 API 介面

我們將使用 Python Flask 架構，這是一個輕量 Web 應用程式架構，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：

blockchain.pyimport 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