用Python從零開始創建區塊鏈
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，并且想知道其背后的技術——區塊鏈是怎樣實現的。
但是完全搞懂區塊鏈并非易事，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，并且需要對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：
- pip install Flask==0.12.2 requests==2.18.4
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，并添加了翻譯，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，一個用于儲存區塊鏈，一個用于儲存交易。
以下是Blockchain類的框架：
- 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（稍后解釋）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"
- }
到這里，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，那么后面所有區塊的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
- class Blockchain(object):
- ...
- def new_transaction(self, sender, recipient, amount):
- """
- 生成新交易信息，信息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，并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實例化后，我們需要構造一個創世塊（沒有前區塊的第一個區塊），并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，稍后會繼續講解。
為了構造創世塊，我們還需要完善newblock(), newtransaction() 和hash() 方法：
- import hashlib
- import json
- from time import time
- class 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):
- """
- 生成新塊
- :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):
- """
- 生成新交易信息，信息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):
- """
- 生成塊的 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了解，接下來我們看看區塊是怎么挖出來的。
理解工作量證明
新的區塊依賴工作量證明算法（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。設變量 x = 5，求 y 的值？
用Python實現如下：
- from hashlib import sha256
- x = 5
- y = 0 # y未知
- 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：
- hash(5 * 21) = 1253e9373e...5e3600155e860
在比特幣中，使用稱為Hashcash的工作量證明算法，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，計算難度與目標字符串需要滿足的特定字符的數量成正比，礦工算出結果后，會獲得比特幣獎勵。
當然，在網絡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 拼接成的字符串的 Hash 值以 4 個零開頭。
- import hashlib
- import json
- from time import time
- from uuid import uuid4
- class Blockchain(object):
- ...
- def proof_of_work(self, last_proof):
- """
- 簡單的工作量證明:
- - 查找一個 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。
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：
- 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
- app = Flask(__name__)
- # Generate a globally unique address for this node
- node_identifier = str(uuid4()).replace('-', '')
- # Instantiate the Blockchain
- 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: 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接口。
第28–30行: 創建/transactions/new POST接口,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: 服務運行在端口5000上.
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
- }
之前已經有添加交易的方法，基于接口來添加交易就很簡單了
- 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
- 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)
- # 給工作量證明的節點提供獎勵.
- # 發送者為 "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
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
- * 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
用Postman請求挖礦
通過post請求，添加一個新交易
用Postman請求挖礦
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
- }
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：
- ...
- 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
前面提到，沖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，網絡中有效最長鏈才是實際的鏈。
我們使用一下的算法，來達到網絡中的共識
- ...
- 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("\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):
- """
- 共識算法解決沖突
- 使用網絡中最長的鏈.
- :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，遍歷每個塊驗證hash和proof.
第2個方法 resolve_conflicts() 用來解決沖突，遍歷所有的鄰居節點，并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，一個用來注冊節點，一個用來解決沖突。
- @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，或在一臺機機開啟不同的網絡端口來模擬多節點的網絡，這里在同一臺機器開啟不同的端口演示，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
- pipenv run python blockchain.py
- pipenv run python blockchain.py -p 5001
注冊新節點
然后在節點2上挖兩個塊，確保是更長的鏈，然后在節點1上訪問接口/nodes/resolve ,這時節點1的鏈會通過共識算法被節點2的鏈取代。
共識算法解決沖突
好啦，你可以邀請朋友們一起來測試你的區塊鏈
