Python 从零开始构建自己的比特币区块链系统

本文转自PythonCaff作者SummerHappy Coding.你是否会和我一样，对加密数字货币底层的区块链技术非常感兴趣，特别想了解他们的运行机制。但是学习区块链技术并非一帆风顺，我看多了大量的视频教程还有各种课程，最终的感觉就是真正可用的实战课程太少。我喜欢在实践中学习，尤其喜欢一代码为基础去了解整个工作机制。如果你我一样喜欢这种学习方式，当你学完本教程时，你将会知道区块链技术是如何工作的。

写在开始之前

记住，区块链是一个 不可变的、有序的 被称为块的记录链。它们可以包含交易、文件或任何您喜欢的数据。但重要的是，他们用哈希 一起被链接在一起。如果你不熟悉哈希, 这里是一个解释.该指南的目的是什么? 你可以舒服地阅读和编写基础的Python，因为我们将通过HTTP与区块链进行讨论，所以你也要了解HTTP的工作原理。我需要准备什么? 确定安装了 Python 3.6+ (还有 

pip

) ，你还需要安装 Flask、 Requests 库:

`pip install Flask==0.12.2 requests==2.18.4`

对了, 你还需要一个支持HTTP的客户端, 比如 Postman 或者 cURL，其他也可以。
源码在哪儿? 可以点击这里

Step 1: 创建一个区块链

打开你最喜欢的文本编辑器或者IDE, 我个人比较喜欢 PyCharm. 新建一个名为

blockchain.py

的文件。 我们将只用这一个文件就可以。但是如果你还是不太清楚, 你也可以参考 源码.

描述区块链

我们要创建一个 

Blockchain

 类 ，他的构造函数创建了一个初始化的空列表（要存储我们的区块链），并且另一个存储交易。下面是我们这个类的实例:blockchain.py

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

 类负责管理链式数据，它会存储交易并且还有添加新的区块到链式数据的Method。让我们开始扩充更多Method

块是什么样的 ?

每个块都有一个 

索引

，一个 

时间戳（Unix时间戳）

，一个

事务列表

， 一个 

校验

(稍后详述) 和 

前一个块的散列

 。下面是一个Block的例子 ：blockchain.py

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

在这一点上，一个 

区块链

 的概念应该是明显的 - 每个新块都包含在其内的前一个块的 

散列

 。 这是至关重要的，因为这是 

区块链

 不可改变的原因：如果攻击者损坏 

区块链

 中较早的块，则所有后续块将包含不正确的哈希值。这有道理吗？ 如果你还没有想通，花点时间仔细思考一下 - 这是区块链背后的核心理念。

添加交易到区块

我们将需要一个添加交易到区块的方式。我们的 

new_transaction()

方法的责任就是这个， 并且它非常的简单:blockchain.py

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

new_transaction()

 方法添加了交易到列表，它返回了交易将被添加到的区块的索引---讲开采下一个这对稍后对提交交易的用户有用。

创建新的区块

当我们的 

Blockchain

 被实例化后，我们需要将 创世 区块（一个没有前导区块的区块）添加进去进去。我们还需要向我们的起源块添加一个 证明，这是挖矿的结果(或工作证明)。 我们稍后会详细讨论挖矿。除了在构造函数中创建 创世 区块外，我们还会补全 

new_block()

 、

new_transaction()

 和 

hash()

 函数：blockchain.py

import hashlib
import json
from time import time

class Blockchain(object):
def __init__(self):
self.current_transactions = []
self.chain = []

# 创建创世区块
self.new_block(previous_hash=1, proof=100)

def new_block(self, proof, previous_hash=None):
"""
创建一个新的区块到区块链中
:param proof: <int> 由工作证明算法生成的证明
:param previous_hash: (Optional) <str> 前一个区块的 hash 值
:return: <dict> 新区块
"""

block = {
'index': len(self.chain) + 1,
'timestamp': time(),
'transactions': self.current_transactions,
'proof': proof,
'previous_hash': previous_hash or self.hash(self.chain[-1]),
}

# 重置当前交易记录
self.current_transactions = []

self
165f8
.chain.append(block)
return block

def new_transaction(self, sender, recipient, amount):
"""
创建一笔新的交易到下一个被挖掘的区块中
:param sender: <str> 发送人的地址
:param recipient: <str> 接收人的地址
:param amount: <int> 金额
:return: <int> 持有本次交易的区块索引
"""
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):
"""
给一个区块生成 SHA-256 值
:param block: <dict> Block
:return: <str>
"""

# 我们必须确保这个字典（区块）是经过排序的，否则我们将会得到不一致的散列
block_string = json.dumps(block, sort_keys=True).encode()
return hashlib.sha256(block_string).hexdigest()

上面的代码应该是直白的 --- 为了让代码清晰，我添加了一些注释和文档说明。 我们差不多完成了我们的区块链。 但在这个时候你一定很疑惑新的块是怎么被创建、锻造或挖掘的。

工作量证明算法

使用工作量证明（PoW）算法，来证明是如何在区块链上创建或挖掘新的区块。PoW 的目标是计算出一个符合特定条件的数字，这个数字对于所有人而言必须在计算上非常困难，但易于验证。这是工作证明背后的核心思想。我们将看到一个简单的例子帮助你理解：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 x = 5，求 y ？用 Python 实现：

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}')

结果是： y = 21。因为，生成的 Hash 值结尾必须为 0。

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

在比特币中，工作量证明算法被称为 Hashcash ，它和上面的问题很相似，只不过计算难度非常大。这就是矿工们为了争夺创建区块的权利而争相计算的问题。 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，就会获得一定数量的比特币奖励（通过交易）。验证结果，当然非常容易。实现工作量证明让我们来实现一个相似 PoW 算法。规则类似上面的例子：找到一个数字 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。blockchain.py

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"

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。

Step 2: 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：blockchain.py

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：实例化节点。阅读更多关于 Flask 内容。
第 18 行：为节点创建一个随机的名称。.
第 21 行：实例化 Blockchain 类。
第 24--26 行：创建 /mine 接口，GET 方式请求。
第 28--30 行：创建 /transactions/new 接口，POST 方式请求，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：服务器运行端口 5000 。

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
}

因为我们已经有了添加交易的方法，所以基于接口来添加交易就很简单了。让我们为添加事务写函数:blockchain.py

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
blockchain.py

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.

Step 3: 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
* Running on http://127.0.0.1:5000/ (Press CTRL+C to quit)

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


用 Postman 发起一个 GET 请求.创建一个交易请求，请求 http://localhost:5000/transactions/new （POST）,如图


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
}

Step 4: 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：blockchain.py

...
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

就像先前讲的那样，当一个节点与另一个节点有不同的链时，就会产生冲突。 为了解决这个问题，我们将制定最长的有效链条是最权威的规则。换句话说就是：在这个网络里最长的链就是最权威的。 我们将使用这个算法，在网络中的节点之间达成共识。blockchain.py

...
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

第一个方法 

valid_chain()

 负责检查一个链是否有效，方法是遍历每个块并验证散列和证明。

resolve_conflicts()

 是一个遍历我们所有邻居节点的方法，下载它们的链并使用上面的方法验证它们。 如果找到一个长度大于我们的有效链条，我们就取代我们的链条。我们将两个端点注册到我们的API中，一个用于添加相邻节点，另一个用于解决冲突：blockchain.py

@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

在这一点上，如果你喜欢，你可以使用一台不同的机器，并在你的网络上启动不同的节点。 或者使用同一台机器上的不同端口启动进程。 我在我的机器上，不同的端口上创建了另一个节点，并将其注册到当前节点。 因此，我有两个节点：

http://localhost:5000

 和 

http://localhost:5001

。 注册一个新节点：


然后我在节点 2 上挖掘了一些新的块，以确保链条更长。 之后，我在节点1上调用 

GET /nodes/resolve

，其中链由一致性算法取代：



这是一个包，去找一些朋友一起，以帮助测试你的区块链。
我希望本文能激励你创造更多新东西。我之所以对数字货币入迷，是因为我相信区块链会很快改变我们看待事物的方式，包括经济、政府、档案管理等。