乾貨 | 分分鐘教你用Python建立一個區塊鏈

作者：由 FlyAI 發表于寵物時間：2022-07-07

作者 | Tiny熊

原始碼：https://github.com/xilibi2003/blockchain

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，透過寫程式碼來學習技術會掌握得更牢固。透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，重要的是它們是透過雜湊值（hashes）連結起來的。

環境準備

環境準備，確保已經安裝Python3。6+， pip ， Flask， requests

安裝方法：

1 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。

參考原始碼（原始碼在我翻譯的時候，無法執行，我fork了一份，修復了其中的錯誤，並添加了翻譯，感謝star）

開始建立Blockchain

新建一個檔案 blockchain。py，本文所有的程式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，它能儲存交易，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，可參考區塊鏈記賬原理

加入交易

接下來我們需要新增一個交易，來完善下new_transaction方法

class Blockchain（object）：。。。 def new_transaction（self， sender， recipient， amount）： “”“ 生成新交易資訊，資訊將加入到下一個待挖的區塊中：param sender： Address of the Sender ：param recipient： Address of the Recipient ：param amount： Amount ：return： 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

方法向列表中新增一個交易記錄，並返回該記錄將被新增到的區塊（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例項化後，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 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： The proof given by the Proof of Work algorithm ：param previous_hash：（Optional） Hash of previous Block ：return： 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）： “”“ 生成新交易資訊，資訊將加入到下一個待挖的區塊中：param sender： Address of the Sender ：param recipient： Address of the Recipient ：param amount： Amount ：return： 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： Block ：return： ”“” # 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（）

透過上面的程式碼和註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 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：

1 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 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： - 查詢一個 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：：return： ”“” 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： Previous Proof ：param proof： Current Proof ：return： 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來進行互動。

Blockchain作為API介面

我們將使用Python Flask框架，這是一個輕量Web應用框架，它方便將網路請求對映到 Python函式，現在我們來讓Blockchain執行在基於Flask web上。

我們將建立三個介面：

/transactions/new 建立一個交易並新增到區塊

/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。我們先新增一些框架程式碼：

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程式碼：

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：例項Blockchain類。

第24–26行：建立/mine GET介面。

第28–30行：建立/transactions/new POST介面，可以給介面傳送交易資料。

第32–38行：建立 /chain 介面，返回整個區塊鏈。

第40–41行：服務執行在埠5000上。

傳送交易

傳送到節點的交易資料結構如下：

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

之前已經有新增交易的方法，基於介面來新增交易就很簡單了

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

透過新增一個交易授予礦工（自己）一個幣

構造新區塊並將其新增到鏈中

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。 # 傳送者為 “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，我們來實際執行下

執行區塊鏈

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）

讓我們透過請求 http：//localhost：5000/mine 來進行挖礦

透過post請求，新增一個新交易

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，透過請求 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散式的。既然是分散式的，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：

/nodes/register 接收URL形式的新節點列表

/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函式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： 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，這是一種避免重複新增節點的簡單方法。

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 requests class Blockchain（object）。。。 def valid_chain（self， chain）： “”“ Determine if a given blockchain is valid ：param chain： A blockchain ：return： 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： 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（）用來解決衝突，遍歷所有的鄰居節點，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

讓我們新增兩個路由，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執行節點，或在一臺機機開啟不同的網路埠來模擬多節點的網路，這裡在同一臺機器開啟不同的埠演示，在不同的終端執行一下命令，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