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想学习区块链？那就用 Python 构建一个

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Daniel Van Flymen

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了解区块链是如何工作的最快的方法是构建一个。

你看到这篇文章是因为和我一样，对加密货币的大热而感到兴奋。并且想知道区块链是如何工作的 —— 它们背后的技术基础是什么。

但是理解区块链并不容易 —— 至少对我来说是这样。我徜徉在各种难懂的视频中，并且因为示例太少而陷入深深的挫败感中。

我喜欢在实践中学习。这会使得我在代码层面上处理主要问题，从而可以让我坚持到底。如果你也是这么做的，在本指南结束的时候，你将拥有一个功能正常的区块链，并且实实在在地理解了它的工作原理。

开始之前 …

记住，区块链是一个 不可更改的、有序的 记录（被称为区块）的链。它们可以包括 交易 transaction 、文件或者任何你希望的真实数据。最重要的是它们是通过使用哈希链接到一起的。

如果你不知道哈希是什么，这里有解释。

本指南的目标读者是谁？ 你应该能轻松地读、写一些基本的 Python 代码，并能够理解 HTTP 请求是如何工作的，因为我们讨论的区块链将基于 HTTP。

我需要做什么？ 确保安装了 Python 3.6+（以及 pip），还需要去安装 Flask 和非常好用的 Requests 库：

pip install Flask==0.12.2 requests==2.18.4

当然，你也需要一个 HTTP 客户端，像 Postman 或者 cURL。哪个都行。

最终的代码在哪里可以找到？ 源代码在 这里。

第 1 步：构建一个区块链

打开你喜欢的文本编辑器或者 IDE，我个人喜欢 PyCharm。创建一个名为 blockchain.py 的新文件。我将仅使用一个文件，如果你看晕了，可以去参考 源代码。

描述一个区块链

我们将创建一个 Blockchain 类，它的构造函数将去初始化一个空列表（去存储我们的区块链），以及另一个列表去保存交易。下面是我们的类规划：

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 类的原型

我们的 Blockchain 类负责管理链。它将存储交易并且有一些为链中增加新区块的辅助性质的方法。现在我们开始去充实一些类的方法。

区块是什么样子的？

每个区块有一个索引、一个时间戳（Unix 时间）、一个交易的列表、一个证明（后面会详细解释）、以及前一个区块的哈希。

单个区块的示例应该是下面的样子：

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

我们的区块链中的块示例

此刻，链的概念应该非常明显 —— 每个新区块包含它自身的信息和前一个区域的哈希。这一点非常重要，因为这就是区块链不可更改的原因：如果攻击者修改了一个早期的区块，那么所有的后续区块将包含错误的哈希。

这样做有意义吗？如果没有，就让时间来埋葬它吧 —— 这就是区块链背后的核心思想。

添加交易到一个区块

我们将需要一种区块中添加交易的方式。我们的 new_transaction() 就是做这个的，它非常简单明了：

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() 运行后将在列表中添加一个交易，它返回添加交易后的那个区块的索引 —— 那个区块接下来将被挖矿。提交交易的用户后面会用到这些。

创建新区块

当我们的 Blockchain 被实例化后，我们需要一个创世区块（一个没有祖先的区块）来播种它。我们也需要去添加一些 “证明” 到创世区块，它是挖矿（工作量证明 PoW）的成果。我们在后面将讨论更多挖矿的内容。

除了在我们的构造函数中创建创世区块之外，我们还需要写一些方法，如 new_block()、new_transaction() 以及 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()

上面的内容简单明了 —— 我添加了一些注释和文档字符串，以使代码清晰可读。到此为止，表示我们的区块链基本上要完成了。但是，你肯定想知道新区块是如何被创建、打造或者挖矿的。

理解工作量证明

工作量证明 Proof of Work （PoW）算法是在区块链上创建或者挖出新区块的方法。PoW 的目标是去撞出一个能够解决问题的数字。这个数字必须满足“找到它很困难但是验证它很容易”的条件 —— 网络上的任何人都可以计算它。这就是 PoW 背后的核心思想。

我们来看一个非常简单的示例来帮助你了解它。

我们来解决一个问题，一些整数 x 乘以另外一个整数 y 的结果的哈希值必须以 0 结束。因此，hash(x * y) = ac23dc…0。为简单起见，我们先把 x = 5 固定下来。在 Python 中的实现如下：

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}')

在这里的答案是 y = 21。因为它产生的哈希值是以 0 结尾的：

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

在比特币中，工作量证明算法被称之为 Hashcash。与我们上面的例子没有太大的差别。这就是矿工们进行竞赛以决定谁来创建新块的算法。一般来说，其难度取决于在一个字符串中所查找的字符数量。然后矿工会因其做出的求解而得到奖励的币——在一个交易当中。

网络上的任何人都可以很容易地去核验它的答案。

实现基本的 PoW

为我们的区块链来实现一个简单的算法。我们的规则与上面的示例类似：

找出一个数字 p，它与前一个区块的答案进行哈希运算得到一个哈希值，这个哈希值的前四位必须是由 0 组成。

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 0 的数量。但是 4 个零已经足够难了。你会发现，将前导 0 的数量每增加一，那么找到正确答案所需要的时间难度将大幅增加。

我们的类基本完成了，现在我们开始去使用 HTTP 请求与它交互。

第 2 步：以 API 方式去访问我们的区块链

我们将使用 Python Flask 框架。它是个微框架，使用它去做端点到 Python 函数的映射很容易。这样我们可以使用 HTTP 请求基于 web 来与我们的区块链对话。

我们将创建三个方法：

  • /transactions/new 在一个区块上创建一个新交易
  • /mine 告诉我们的服务器去挖矿一个新区块
  • /chain 返回完整的区块链

配置 Flask

我们的 “服务器” 将在我们的区块链网络中产生一个单个的节点。我们来创建一些样板代码：

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)

对上面的代码，我们做添加一些详细的解释：

  • Line 15：实例化我们的节点。更多关于 Flask 的知识读 这里。
  • Line 18：为我们的节点创建一个随机的名字。
  • Line 21：实例化我们的区块链类。
  • Line 24–26：创建 /mine 端点，这是一个 GET 请求。
  • Line 28–30：创建 /transactions/new 端点，这是一个 POST 请求，因为我们要发送数据给它。
  • Line 32–38：创建 /chain 端点，它返回全部区块链。
  • Line 40–41：在 5000 端口上运行服务器。

交易端点

这就是对一个交易的请求，它是用户发送给服务器的：

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

因为我们已经有了添加交易到块中的类方法，剩下的就很容易了。让我们写个函数来添加交易：

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

创建交易的方法

挖矿端点

我们的挖矿端点是见证奇迹的地方，它实现起来很容易。它要做三件事情：

  1. 计算工作量证明
  2. 因为矿工（我们）添加一个交易而获得报酬，奖励矿工（我们） 1 个币
  3. 通过将它添加到链上而打造一个新区块
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

注意，挖掘出的区块的接收方是我们的节点地址。现在，我们所做的大部分工作都只是与我们的 Blockchain 类的方法进行交互的。到目前为止，我们已经做完了，现在开始与我们的区块链去交互。

第 3 步：与我们的区块链去交互

你可以使用简单的 cURL 或者 Postman 通过网络与我们的 API 去交互。

启动服务器：

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

我们通过生成一个 GET 请求到 http://localhost:5000/mine 去尝试挖一个区块：

使用 Postman 去生成一个 GET 请求

我们通过生成一个 POST 请求到 http://localhost:5000/transactions/new 去创建一个区块，请求数据包含我们的交易结构：

使用 Postman 去生成一个 POST 请求

如果你不使用 Postman，也可以使用 cURL 去生成一个等价的请求：

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

我重启动我的服务器，然后我挖到了两个区块，这样总共有了 3 个区块。我们通过请求 http://localhost:5000/chain 来检查整个区块链：

{
  "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：共识

这是很酷的一个地方。我们已经有了一个基本的区块链，它可以接收交易并允许我们去挖掘出新区块。但是区块链的整个重点在于它是 去中心化的 decentralized 。而如果它们是去中心化的，那我们如何才能确保它们表示在同一个区块链上？这就是 共识 Consensus 问题，如果我们希望在我们的网络上有多于一个的节点运行，那么我们将必须去实现一个共识算法。

注册新节点

在我们能实现一个共识算法之前，我们需要一个办法去让一个节点知道网络上的邻居节点。我们网络上的每个节点都保留有一个该网络上其它节点的注册信息。因此，我们需要更多的端点：

  1. /nodes/register 以 URL 的形式去接受一个新节点列表
  2. /nodes/resolve 去实现我们的共识算法，由它来解决任何的冲突 —— 确保节点有一个正确的链。

我们需要去修改我们的区块链的构造函数，来提供一个注册节点的方法：

...
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)

一个添加邻居节点到我们的网络的方法

注意，我们将使用一个 set() 去保存节点列表。这是一个非常合算的方式，它将确保添加的节点是 幂等 idempotent 的 —— 这意味着不论你将特定的节点添加多少次，它都是精确地只出现一次。

实现共识算法

正如前面提到的，当一个节点与另一个节点有不同的链时就会产生冲突。为解决冲突，我们制定一个规则，即最长的有效的链才是权威的链。换句话说就是，网络上最长的链就是事实上的区块链。使用这个算法，可以在我们的网络上节点之间达到共识。


...
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

我希望以上内容能够鼓舞你去创建一些新的东西。我是加密货币的狂热拥护者，因此我相信区块链将迅速改变我们对经济、政府和记录保存的看法。

**更新：** 我正计划继续它的第二部分，其中我将扩展我们的区块链，使它具备交易验证机制，同时讨论一些你可以在其上产生你自己的区块链的方式。（LCTT 译注：第二篇并没有~！）

---

via: <https://hackernoon.com/learn-blockchains-by-building-one-117428612f46>

作者：[Daniel van Flymen](https://hackernoon.com/@vanflymen?source=post_header_lockup) 译者：[qhwdw](https://github.com/qhwdw) 校对：[wxy](https://github.com/wxy)

本文由 [LCTT](https://github.com/LCTT/TranslateProject) 原创编译，[Linux中国](https://linux.cn/) 荣誉推出

最后修改于：

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