用Python從零開始創建區塊鏈

本文主要內容翻譯自Learn Blockchains by Building One
本文原始鏈接,轉載請註明出處。
作者認爲最快的學習區塊鏈的方式是自己創建一個，本文就跟隨作者用Python來創建一個區塊鏈。

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，通過寫代碼來學習技術會掌握得更牢固。通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、文件或任何你想要的數據，重要的是它們是通過哈希值（hashes）鏈接起來的。

如果你還不是很瞭解哈希，可以查看這篇文章

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。

參考源代碼（原代碼在我翻譯的時候，無法運行，我fork了一份，修復了其中的錯誤，並添加了翻譯，感謝star）

開始創建Blockchain

新建一個文件 blockchain.py，本文所有的代碼都寫在這一個文件中，可以隨時參考源代碼

Blockchain類

首先創建一個Blockchain類，在構造函數中創建了兩個列表，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，它能存儲交易，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"
}
到這裏，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***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

接下來我們需要添加一個交易，來完善下new_transaction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: <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，信息將加入到下一個待挖的區塊中
    :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):
    """
    生成塊的 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()

通過上面的代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。

爲了方便理解，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。設變量 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. 因爲：

1
hash(5 * 21) = 1253e9373e...5e3600155e860
在比特幣中，使用稱爲Hashcash的工作量證明算法，它和上面的問題很類似。礦工們爲了爭奪創建區塊的權利而爭相計算結果。通常，計算難度與目標字符串需要滿足的特定字符的數量成正比，礦工算出結果後，會獲得比特幣獎勵。
當然，在網絡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 拼接成的字符串的 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:
     - 查找一個 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: <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):
    """
    驗證證明: 是否hash(last_proof, proof)以4個0開頭?
    :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來進行交互。

Blockchain作爲API接口

我們將使用Python Flask框架，這是一個輕量Web應用框架，它方便將網絡請求映射到 Python函數，現在我們來讓Blockchain運行在基於Flask web上。

我們將創建三個接口：

/transactions/new 創建一個交易並添加到區塊
/mine 告訴服務器去挖掘新的區塊
/chain 返回整個區塊鏈
創建節點

我們的“Flask服務器”將扮演區塊鏈網絡中的一個節點。我們先添加一些框架代碼：

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代碼：
第15行: 創建一個節點.
第18行: 爲節點創建一個隨機的名字.
第21行: 實例Blockchain類.
第24–26行: 創建/mine GET接口。
第28–30行: 創建/transactions/new POST接口,可以給接口發送交易數據.
第32–38行: 創建 /chain 接口, 返回整個區塊鏈。
第40–41行: 服務運行在端口5000上.

發送交易

發送到節點的交易數據結構如下：

{
"sender": "my address",
"recipient": "someone else's address",
"amount": 5
}
之前已經有添加交易的方法，基於接口來添加交易就很簡單了

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
通過新增一個交易授予礦工（自己）一個幣
構造新區塊並將其添加到鏈中

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.
# 發送者爲 "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服務器節點，我們做的大部分工作都只是圍繞Blockchain類方法進行交互。到此，我們的區塊鏈就算完成了，我們來實際運行下

運行區塊鏈

你可以使用cURL 或Postman 去和API進行交互

啓動server:

$ python blockchain.py

• Runing on http://127.0.0.1:5000/ (Press CTRL+C to quit)
  讓我們通過請求 http://localhost:5000/mine 來進行挖礦

用Postman請求挖礦

通過post請求，添加一個新交易

用Postman請求挖礦

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，通過請求 http://localhost:5000/chain 可以得到所有的塊信息。

{
"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佈式的。既然是分佈式的，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，我們要想在網絡上有多個節點，就必須實現一個一致性的算法。

註冊節點

在實現一致性算法之前，我們需要找到一種方式讓一個節點知道它相鄰的節點。每個節點都需要保存一份包含網絡中其它節點的記錄。因此讓我們新增幾個接口：

/nodes/register 接收URL形式的新節點列表
/nodes/resolve 執行一致性算法，解決任何衝突，確保節點擁有正確的鏈
我們修改下Blockchain的init函數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: <str> 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，這是一種避免重複添加節點的簡單方法。

實現共識算法

前面提到，衝突是指不同的節點擁有不同的鏈，爲了解決這個問題，規定最長的、有效的鏈纔是最終的鏈，換句話說，網絡中有效最長鏈纔是實際的鏈。

我們使用一下的算法，來達到網絡中的共識

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):
    """
    共識算法解決衝突
    使用網絡中最長的鏈.
    :return: <bool> True 如果鏈被取代, 否則爲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

讓我們添加兩個路由，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運行節點，或在一臺機機開啓不同的網絡端口來模擬多節點的網絡，這裏在同一臺機器開啓不同的端口演示，在不同的終端運行一下命令，就啓動了兩個節點：http://localhost:5000 和 http://localhost:5001

pipenv run python blockchain.py
pipenv run python blockchain.py -p 5001
註冊新節點

然後在節點2上挖兩個塊，確保是更長的鏈，然後在節點1上訪問接口/nodes/resolve ,這時節點1的鏈會通過共識算法被節點2的鏈取代。

共識算法解決衝突

好啦，你可以邀請朋友們一起來測試你的區塊鏈

本文轉自：https://learnblockchain.cn/2017/10/27/build_blockchain_by_python/