用Python从零开始创建区块链

内容简介：用Python从零开始创建区块链

作者认为最快的学习区块链的方式是自己创建一个，本文就跟随作者用Python来创建一个区块链。

对数字货币的崛起感到新奇的我们，并且想知道其背后的技术——区块链是怎样实现的。

但是完全搞懂区块链并非易事，我喜欢在实践中学习，通过写代码来学习技术会掌握得更牢固。通过构建一个区块链可以加深对区块链的理解。

准备工作

本文要求读者对Python有基本的理解，能读写基本的Python，并且需要对HTTP请求有基本的了解。

我们知道区块链是由区块的记录构成的不可变、有序的链结构，记录可以是交易、文件或任何你想要的数据，重要的是它们是通过哈希值（hashes）链接起来的。

如果你还不是很了解哈希，可以查看这篇文章

环境准备

环境准备，确保已经安装Python3.6+, pip , Flask, requests

安装方法：

pip install Flask==0.12.2 requests==2.18.4 

同时还需要一个HTTP客户端，比如Postman，cURL或其它客户端。

参考源代码（原代码在我翻译的时候，无法运行，我fork了一份，修复了其中的错误，并添加了翻译，感谢star）

开始创建Blockchain

新建一个文件 blockchain.py，本文所有的代码都写在这一个文件中，可以随时参考源代码

Blockchain类

首先创建一个Blockchain类，在构造函数中创建了两个列表，一个用于储存区块链，一个用于储存交易。

以下是Blockchain类的框架：

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类用来管理链条，它能存储交易，加入新块等，下面我们来进一步完善这些方法。

块结构

每个区块包含属性：索引（index），Unix时间戳（timestamp），交易列表（transactions），工作量证明（稍后解释）以及前一个区块的Hash值。

以下是一个区块的结构：

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

到这里，区块链的概念就清楚了，每个新的区块都包含上一个区块的Hash，这是关键的一点，它保障了区块链不可变性。如果攻击者破坏了前面的某个区块，那么后面所有区块的Hash都会变得不正确。不理解的话，慢慢消化，可参考区块链记账原理

加入交易

接下来我们需要添加一个交易，来完善下new_transaction方法

class Blockchain(object): 
 
    ... 
 
    def new_transaction(self, sender, recipient, amount): 
 
        """ 
 
        生成新交易信息，信息将加入到下一个待挖的区块中 
 
        :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个交易记录，并返回该记录将被添加到的区块(下一个待挖掘的区块)的索引，等下在用户提交交易时会有用。

创建新块

当Blockchain实例化后，我们需要构造一个创世块（没有前区块的第一个区块），并且给它加上一个工作量证明。

每个区块都需要经过工作量证明，俗称挖矿，稍后会继续讲解。

为了构造创世块，我们还需要完善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): 
 
        """ 
 
        生成新块 
 
        :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，信息将加入到下一个待挖的区块中 
 
        :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): 
 
        """ 
 
        生成块的 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() 

通过上面的代码和注释可以对区块链有直观的了解，接下来我们看看区块是怎么挖出来的。

理解工作量证明

新的区块依赖工作量证明算法（PoW）来构造。PoW的目标是找出一个符合特定条件的数字，这个数字很难计算出来，但容易验证。这就是工作量证明的核心思想。

为了方便理解，举个例子：

假设一个整数 x 乘以另一个整数 y 的积的 Hash 值必须以 0 结尾，即 hash(x * y) = ac23dc…0。设变量 x = 5，求 y 的值？

用Python实现如下：

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}') 

结果是y=21. 因为：

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

在比特币中，使用称为Hashcash的工作量证明算法，它和上面的问题很类似。矿工们为了争夺创建区块的权利而争相计算结果。通常，计算难度与目标字符串需要满足的特定字符的数量成正比，矿工算出结果后，会获得比特币奖励。

当然，在网络上非常容易验证这个结果。

实现工作量证明

让我们来实现一个相似PoW算法，规则是：寻找一个数 p，使得它与前一个区块的 proof 拼接成的字符串的 Hash 值以 4 个零开头。

import hashlib 
 
import json 
 
from time import time 
 
from uuid import uuid4 
 
class Blockchain(object): 
 
    ... 
 
    def proof_of_work(self, last_proof): 
 
        """ 
 
        简单的工作量证明: 
 
         - 查找一个 p' 使得 hash(pp') 以4个0开头 
 
         - p 是上一个块的证明,  p' 是当前的证明 
 
        :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): 
 
        """ 
 
        验证证明: 是否hash(last_proof, proof)以4个0开头? 
 
        :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" 

衡量算法复杂度的办法是修改零开头的个数。使用4个来用于演示，你会发现多一个零都会大大增加计算出结果所需的时间。

现在Blockchain类基本已经完成了，接下来使用HTTP requests来进行交互。

Blockchain作为API接口

我们将使用Python Flask框架，这是一个轻量Web应用框架，它方便将网络请求映射到 Python函数，现在我们来让Blockchain运行在基于Flask web上。

我们将创建三个接口：

• /transactions/new 创建一个交易并添加到区块
• /mine 告诉服务器去挖掘新的区块
• /chain 返回整个区块链

创建节点

我们的“Flask服务器”将扮演区块链网络中的一个节点。我们先添加一些框架代码：

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) 

简单的说明一下以上代码：

第15行: 创建一个节点.

第18行: 为节点创建一个随机的名字.

第21行: 实例Blockchain类.

第24–26行: 创建/mine GET接口。

第28–30行: 创建/transactions/new POST接口,可以给接口发送交易数据.

第32–38行: 创建 /chain 接口, 返回整个区块链。

第40–41行: 服务运行在端口5000上.

发送交易

发送到节点的交易数据结构如下：

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

之前已经有添加交易的方法，基于接口来添加交易就很简单了

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 

挖矿

挖矿正是神奇所在，它很简单，做了一下三件事：

• 计算工作量证明PoW
• 通过新增一个交易授予矿工（自己）一个币
• 构造新区块并将其添加到链中

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) 
 
    # 给工作量证明的节点提供奖励. 
 
    # 发送者为 "0" 表明是新挖出的币 
 
    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们自己的服务器节点，我们做的大部分工作都只是围绕Blockchain类方法进行交互。到此，我们的区块链就算完成了，我们来实际运行下

运行区块链

你可以使用cURL 或Postman 去和API进行交互

启动server:

$ python blockchain.py 
 
* Runing on http://127.0.0.1:5000/ (Press CTRL+C to quit) 

让我们通过请求 http://localhost:5000/mine 来进行挖矿

用Postman请求挖矿

通过post请求，添加一个新交易

用Postman请求挖矿

如果不是使用Postman，则用一下的cURL语句也是一样的：

$ curl -X POST -H "Content-Type: application/json" -d '{ 
 
 "sender": "d4ee26eee15148ee92c6cd394edd974e", 
 
 "recipient": "someone-other-address", 
 
 "amount": 5 
 
}' "http://localhost:5000/transactions/new" 

在挖了两次矿之后，就有3个块了，通过请求 http://localhost:5000/chain 可以得到所有的块信息。

{ 
 
  "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（共识）

我们已经有了一个基本的区块链可以接受交易和挖矿。但是区块链系统应该是分布式的。既然是分布式的，那么我们究竟拿什么保证所有节点有同样的链呢？这就是一致性问题，我们要想在网络上有多个节点，就必须实现一个一致性的算法。

注册节点

在实现一致性算法之前，我们需要找到一种方式让一个节点知道它相邻的节点。每个节点都需要保存一份包含网络中其它节点的记录。因此让我们新增几个接口：

/nodes/register 接收URL形式的新节点列表

/nodes/resolve执行一致性算法，解决任何冲突，确保节点拥有正确的链

我们修改下Blockchain的init函数并提供一个注册节点方法：

... 
 
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) 

我们用 set 来储存节点，这是一种避免重复添加节点的简单方法。

实现共识算法

前面提到，冲突是指不同的节点拥有不同的链，为了解决这个问题，规定最长的、有效的链才是最终的链，换句话说，网络中有效最长链才是实际的链。

我们使用一下的算法，来达到网络中的共识

... 
 
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): 
 
        """ 
 
        共识算法解决冲突 
 
        使用网络中最长的链. 
 
        :return: <bool> True 如果链被取代, 否则为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 

第一个方法 valid_chain() 用来检查是否是有效链，遍历每个块验证hash和proof.

第2个方法 resolve_conflicts() 用来解决冲突，遍历所有的邻居节点，并用上一个方法检查链的有效性， 如果发现有效更长链，就替换掉自己的链

让我们添加两个路由，一个用来注册节点，一个用来解决冲突。

@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 

你可以在不同的机器运行节点，或在一台机机开启不同的网络端口来模拟多节点的网络，这里在同一台机器开启不同的端口演示，在不同的终端运行一下命令，就启动了两个节点：http://localhost:5000 和 http://localhost:5001

pipenv run python blockchain.py 
 
pipenv run python blockchain.py -p 5001

注册新节点

然后在节点2上挖两个块，确保是更长的链，然后在节点1上访问接口/nodes/resolve ,这时节点1的链会通过共识算法被节点2的链取代。

共识算法解决冲突

好啦，你可以邀请朋友们一起来测试你的区块链

以上就是本文的全部内容，希望本文的内容对大家的学习或者工作能带来一定的帮助，也希望大家多多支持 码农网

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