内容简介：了解区块链Blockchains如何工作的最快方法就是构建一个区块链。你来到这里是因为，和我一样，你对加密钱币的崛起感到很兴奋。而且你想知道区块链是如何工作的，想了解它们背后的基本技术。但理解区块链并不容易，或者至少不适合我。我在密集的视频中跋涉，接着是千疮百孔的教程，并且处理了极少数放大挫折的例子。我喜欢边做边学。它迫使我在代码级别处理主题，这使得它坚持下去。如果你这样做，在本指南的最后，你将拥有一个功能正常的区块链，可以牢牢掌握它们的工作原理。
了解区块链Blockchains如何工作的最快方法就是构建一个区块链。你来到这里是因为，和我一样，你对加密钱币的崛起感到很兴奋。而且你想知道区块链是如何工作的，想了解它们背后的基本技术。
但理解区块链并不容易，或者至少不适合我。我在密集的视频中跋涉，接着是千疮百孔的教程，并且处理了极少数放大挫折的例子。
我喜欢边做边学。它迫使我在代码级别处理主题，这使得它坚持下去。如果你这样做，在本指南的最后，你将拥有一个功能正常的区块链，可以牢牢掌握它们的工作原理。
在你开始之前……
请记住，区块链是一个名为Blocks的不可变的连续记录链。它们可以包含你喜欢的交易，文件或任何数据。但重要的是他们用哈希链接在一起。
如果你不确定哈希是什么，这里有一个 解释 。
本指南的目标是谁？你应该舒服地阅读和能编写一些基本的Python，并且对HTTP请求的工作方式有一些了解，因为我们将通过HTTP与我们的区块链交互。
我需要什么？确保安装了 Python 3.6 + （以及 pip ）。你还需要安装Flask和精彩的Requests库：
pip install Flask==0.12.2 requests==2.18.4
哦，你还需要一个HTTP客户端，比如 Postman 或cURL。任何一个都可以。
最终的代码在哪里？ 源代码 可在此处获得。
第1步：构建区块链
打开你最喜欢的文本编辑器或IDE，我个人 PyCharm 。创建一个名为 blockchain.py 的新文件。我们只会使用一个文件，但是如果你迷路了，你总是可以参考源代码。
代表区块链
我们将创建一个Blockchain类，其构造函数创建一个初始的空列表（用于存储我们的Blockchain链），另一个用于存储交易。这是我们Class的蓝图：
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
我们的Blockchain类负责管理链。它将存储交易并具有一些辅助方法，用于向链中添加新块。让我们开始充实一些方法。
Block看起来像什么？
每个块都有一个索引，一个时间戳（在Unix时间内），一个交易列表 ，一个证明（后面会有更多内容），以及前一个块的哈希值。
以下是单个Block的示例：
block = {
'index': 1,
'timestamp': 1506057125.900785,
'transactions': [
{
'sender': "8527147fe1f5426f9dd545de4b27ee00",
'recipient': "a77f5cdfa2934df3954a5c7c7da5df1f",
'amount': 5,
}
],
'proof': 324984774000,
'previous_hash': "2cf24dba5fb0a30e26e83b2ac5b9e29e1b161e5c1fa7425e73043362938b9824"
}
在这一点上，链的概念应该是显而易见的，每个新块本身包含前一个块的hash。这是至关重要的，因为它是区块链不可变性的原因：如果攻击者破坏链中的早期块，则所有后续块将包含不正确的哈希值。
这有意义吗？如果没有，花一些时间了解，它是区块链背后的核心理念。
将交易添加到块
我们需要一种向块添加交易的方法。我们的 new_transaction() 方法对此负责，而且非常简单：
class 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
在 new_transaction() 向列表添加交易之后，它返回交易将被添加到下一个要被挖掘的块的索引。这将对以后提交交易的用户有用。
创建新块
当我们的Blockchain被实例化时，我们需要用一个创世块，一个没有前任的区块来种子化它。我们还需要在我们的创世块中添加一个证明 proof ，这是挖掘（或工作量证明）的结果。我们稍后会详细谈论挖掘。
除了在构造函数中创建genesis块之外，我们还将 new_block() ， new_transaction() 和 hash() ：
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):
"""
Create a new Block in the Blockchain
: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):
"""
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
@property
def last_block(self):
return self.chain[-1]
@staticmethod
def hash(block):
"""
Creates a SHA-256 hash of a Block
: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()
以上内容应该是直截了当的，我已经添加了一些注释和文档字符串以帮助保持清晰。我们几乎完成了代表我们的区块链。但在这一点上，你必须想知道如何创建，伪造或挖掘新块。
理解工作量证明
工作量证明算法（PoW）是在区块链上创建或挖掘新块的方式。PoW的目标是发现一个解决问题的数字。这个数字必须很难找到，但很容易通过网络上的任何人进行核算——计算。这是工作证明背后的核心理念。
我们将看一个非常简单的例子来帮助这个陷入困境。
让我们决定某个整数 x 的hash乘以另一个 y 必须以 0 结尾。所以， hash(x * y) = ac23dc...0 。对于这个简化的例子，让我们修复 x = 5 。在 Python 中实现这个：
from hashlib import sha256
x = 5
y = 0 # We don't know what y should be yet...
while sha256(f'{x*y}'.encode()).hexdigest()[-1] != "0":
y += 1
print(f'The solution is y = {y}')
这里的解决方案是 y = 21 。因为，生成的hash以 0 结尾：
hash(5 * 21) = 1253e9373e...5e3600155e860
在比特币中，工作证明算法称为 Hashcash 。它与我们上面的基本示例没有什么不同。这是矿工为了创造一个新的块而竞争解决的算法。通常，难度取决于字符串中搜索的字符数。 然后矿工通过接收硬币进行交易而获得奖励。
网络能够轻松验证其解决方案。
实施基本的工作量证明
让我们为区块链实现类似的算法。我们的规则与上面的例子类似：
找到一个数字p，当使用前一个块的解决方案进行hash时，会生成 一个带有4个前导 0 的 hash 。
import hashlib
import json
from time import time
from uuid import uuid4
class 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"
为了调整算法的难度，我们可以修改前导零的数量。但是4就足够了。你会发现，添加一个前导零会使找到解决方案所需的时间产生巨大差异。
我们的类几乎完成了，我们准备开始使用HTTP请求与它进行交互。
第2步：我们的区块链作为API
我们将使用Python Flask Framework。它是一个微框架，可以很容易地将端点映射到Python函数。这允许我们使用HTTP请求通过Web与我们的区块链交互。
我们将创建三种方法：
/transactions/new /mine /chain
设置flask
我们的“服务器”将在我们的区块链网络中形成一个单一节点。让我们创建一些样板代码：
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)
我们上面添加的内容的简要说明：
- 第15行：实例化我们的节点。在这里阅读更多关于Flask的信息。
- 第18行：为我们的节点创建一个随机名称。
- 第21行：实例化我们的Blockchain类。
- 第24-26行：创建
/mine，这是一个GET请求。 - 第28-30行：创建
/transactions/new，这是一个POST请求，因为我们将向其发送数据。 - 第32-38行：创建
/chain，返回完整的区块链。 - 第40-41行：在端口5000上运行服务器。
交易
这就是交易请求的样子。这是用户发送到服务器的内容：
{
"sender": "my address",
"recipient": "someone else's address",
"amount": 5
}
由于我们已经有了用于向块添加交易的类方法，因此其余方法很简单。让我们编写添加交易的函数：
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
采矿
我们的挖掘终点是魔术发生的地方，而且很容易。它必须做三件事：
- 计算工作量证明。
- 通过添加授予我们1个硬币的交易来奖励矿工（我们）。
- 通过将新块添加到链中来构造新块。
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)
# We must receive a reward for finding the proof.
# The sender is "0" to signify that this node has mined a new coin.
blockchain.new_transaction(
sender="0",
recipient=node_identifier,
amount=1,
)
# Forge the new Block by adding it to the chain
previous_hash = blockchain.hash(last_block)
block = blockchain.new_block(proof, previous_hash)
response = {
'message': "New Block Forged",
'index': block['index'],
'transactions': block['transactions'],
'proof': block['proof'],
'previous_hash': block['previous_hash'],
}
return jsonify(response), 200
请注意，挖掘块的接收者是我们节点的地址。我们在这里所做的大部分工作都只是与Blockchain类的方法进行交互。此时，我们已经完成了，并且可以开始与我们的区块链进行交互。
第3步：与我们的区块链交互
你可以使用普通的旧cURL或Postman通过网络与我们的API进行交互。
启动服务器：
$ python blockchain.py * Running on http://127.0.0.1:5000/ (Press CTRL+C to quit)
让我们通过向 http://localhost:5000/mine 发出 GET 请求来尝试挖掘一个块：
让我们通过向 http://localhost:5000/transactions/new 发出 POST 请求来创建一个新交易，其中包含我们的交易结构的主体：
如果你不使用Postman，那么你可以使用cURL进行等效请求：
$ curl -X POST -H "Content-Type: application/json" -d '{
"sender": "d4ee26eee15148ee92c6cd394edd974e",
"recipient": "someone-other-address",
"amount": 5
}' "http://localhost:5000/transactions/new"
我重新启动了我的服务器，并开采了两个区块，共计3个。让我们通过请求检查整个 http://localhost:5000/chain ：
{
"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
}
第4步：达成共识
这很酷。我们有一个基本的区块链接受交易并允许我们挖掘新的区块。但区块链的重点在于它们应该是去中心化的。如果它们是去中心化的，我们究竟如何确保它们都反映出同一条链？这被称为共识问题，如果我们想在网络中使用多个节点，我们必须实施共识算法。
注册新节点
在我们实现共识算法之前，我们需要一种方法让节点了解网络上的相邻节点。我们网络上的每个节点都应该保留网络上其他节点的注册表。因此，我们需要更多的端点：
/nodes/register /nodes/resolve
我们需要修改Blockchain的构造函数并提供注册节点的方法，一种向网络添加相邻节点的方法：
...
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)
请注意，我们使用 set() 来保存节点列表。这是一种确保添加新节点是幂等的廉价方法，这意味着无论我们添加特定节点多少次，它都只出现一次。
实施共识算法
如上所述，冲突是指一个节点与另一个节点具有不同的链。要解决此问题，我们将制定最长有效链具有权威性的规则。换句话说，网络上最长的链是事实上的链。使用此算法，我们在网络中的节点之间达成共识。
...
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):
"""
This is our Consensus Algorithm, it resolves conflicts
by replacing our chain with the longest one in the network.
:return: <bool> True if our chain was replaced, False if not
"""
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
第一种方法 valid_chain() 负责通过循环遍历每个块并验证hash和证明来检查链是否有效。
resolve_conflicts() 是一种循环遍历所有相邻节点，下载其链并使用上述方法验证它们的方法。如果找到一个有效链，其长度大于我们的，我们将替换我们的。
让我们将两个端点注册到我们的API，一个用于添加相邻节点，另一个用于解决冲突：
@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
此时，你可以根据需要获取不同的计算机，并在网络上启动不同的节点。或者在同一台机器上使用不同的端口启动进程。我在我的机器上，在另一个端口上旋转另一个节点，并将其注册到我当前的节点。因此，我有两个节点： http://localhost:5000 和 http://localhost:5001 。
然后我在节点2上挖掘了一些新块，以确保链更长。之后，我在节点1上调用了 GET/nodes/resolve ，其中链被共识算法取代：
这是一个warp……去找一些朋友一起帮助测试你的区块链。
我希望这能激发你创造新事物。我对Cryptocurrencies感到欣喜若狂，因为我相信Blockchains会迅速改变我们对经济，政府和记录保存的看法。
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