干货 | 分分钟教你用Python创建一个区块链-白红宇

作者 | Tiny熊

来源 | 全球人工智能

源码：https://github.com/xilibi2003/blockchain

对数字货币的崛起感到新奇的我们，并且想知道其背后的技术——区块链是怎样实现的。

但是完全搞懂区块链并非易事，我喜欢在实践中学习，通过写代码来学习技术会掌握得更牢固。通过构建一个区块链可以加深对区块链的理解。

准备工作

本文要求读者对Python有基本的理解，能读写基本的Python，并且需要对HTTP请求有基本的了解。

我们知道区块链是由区块的记录构成的不可变、有序的链结构，记录可以是交易、文件或任何你想要的数据，重要的是它们是通过哈希值（hashes）链接起来的。

环境准备

环境准备，确保已经安装Python3.6+, pip , Flask, requests

安装方法：

1复制代码

pip install Flask==0.12.2 requests==2.18.4复制代码

同时还需要一个HTTP客户端，比如Postman，cURL或其它客户端。

参考源代码（原代码在我翻译的时候，无法运行，我fork了一份，修复了其中的错误，并添加了翻译，感谢star）

开始创建Blockchain

新建一个文件 blockchain.py，本文所有的代码都写在这一个文件中，可以随时参考源代码

Blockchain类

首先创建一个Blockchain类，在构造函数中创建了两个列表，一个用于储存区块链，一个用于储存交易。

以下是Blockchain类的框架：

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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复制代码

Blockchain类用来管理链条，它能存储交易，加入新块等，下面我们来进一步完善这些方法。

块结构

每个区块包含属性：索引（index），Unix时间戳（timestamp），交易列表（transactions），工作量证明（稍后解释）以及前一个区块的Hash值。

以下是一个区块的结构：

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

到这里，区块链的概念就清楚了，每个新的区块都包含上一个区块的Hash，这是关键的一点，它保障了区块链不可变性。如果攻击者破坏了前面的某个区块，那么后面所有区块的Hash都会变得不正确。不理解的话，慢慢消化，可参考区块链记账原理

加入交易

接下来我们需要添加一个交易，来完善下new_transaction方法

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class Blockchain(object):    ...        def new_transaction(self, sender, recipient, amount):        """        生成新交易信息，信息将加入到下一个待挖的区块中        :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复制代码

方法向列表中添加一个交易记录，并返回该记录将被添加到的区块(下一个待挖掘的区块)的索引，等下在用户提交交易时会有用。

创建新块

当Blockchain实例化后，我们需要构造一个创世块（没有前区块的第一个区块），并且给它加上一个工作量证明。

每个区块都需要经过工作量证明，俗称挖矿，稍后会继续讲解。

为了构造创世块，我们还需要完善new_block(), new_transaction() 和hash() 方法：

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import hashlibimport jsonfrom time import timeclass 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):        """        生成新块        :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):        """        生成新交易信息，信息将加入到下一个待挖的区块中        :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): """ 生成块的 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()复制代码

通过上面的代码和注释可以对区块链有直观的了解，接下来我们看看区块是怎么挖出来的。

理解工作量证明

新的区块依赖工作量证明算法（PoW）来构造。PoW的目标是找出一个符合特定条件的数字，这个数字很难计算出来，但容易验证。这就是工作量证明的核心思想。

为了方便理解，举个例子：

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。设变量 x = 5，求 y 的值？

用Python实现如下：

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from hashlib import sha256x = 5y = 0  # y未知while sha256(f'{x*y}'.encode()).hexdigest()[-1] != "0":    y += 1print(f'The solution is y = {y}')复制代码

结果是y=21. 因为：

1复制代码

hash(5 * 21) = 1253e9373e...5e3600155e860复制代码

在比特币中，使用称为Hashcash的工作量证明算法，它和上面的问题很类似。矿工们为了争夺创建区块的权利而争相计算结果。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，会获得比特币奖励。

当然，在网络上非常容易验证这个结果。

实现工作量证明

让我们来实现一个相似PoW算法，规则是：寻找一个数 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。

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import hashlibimport jsonfrom time import timefrom uuid import uuid4class Blockchain(object):    ...            def proof_of_work(self, last_proof):        """        简单的工作量证明:         - 查找一个 p' 使得 hash(pp') 以4个0开头         - p 是上一个块的证明,  p' 是当前的证明        :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):        """        验证证明: 是否hash(last_proof, proof)以4个0开头?        :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"复制代码

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。

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：

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import hashlibimport jsonfrom textwrap import dedentfrom time import timefrom uuid import uuid4from flask import Flaskclass Blockchain(object):    ...# Instantiate our Nodeapp = Flask(__name__)# Generate a globally unique address for this nodenode_identifier = str(uuid4()).replace('-', '')# Instantiate the Blockchainblockchain = 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), 200if __name__ == '__main__':    app.run(host='0.0.0.0', port=5000)复制代码

简单的说明一下以上代码：

第15行: 创建一个节点。

第18行: 为节点创建一个随机的名字。

第21行: 实例Blockchain类。

第24–26行: 创建/mine GET接口。

第28–30行: 创建/transactions/new POST接口,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: 服务运行在端口5000上。

发送交易

发送到节点的交易数据结构如下：

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

之前已经有添加交易的方法，基于接口来添加交易就很简单了

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import hashlibimport jsonfrom textwrap import dedentfrom time import timefrom uuid import uuid4from 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复制代码

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

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import hashlibimport jsonfrom time import timefrom uuid import uuid4from 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)    # 给工作量证明的节点提供奖励.    # 发送者为 "0" 表明是新挖出的币    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复制代码

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

运行区块链

你可以使用cURL 或Postman 去和API进行交互

启动server:

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

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

通过post请求，添加一个新交易

如果不是使用Postman，则用一下的cURL语句也是一样的：

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

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。

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{  "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}复制代码

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：

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...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)复制代码

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

前面提到，冲突是指不同的节点拥有不同的链，为了解决这个问题，规定最长的、有效的链才是最终的链，换句话说，网络中有效最长链才是实际的链。

我们使用一下的算法，来达到网络中的共识

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...import requestsclass 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):        """        共识算法解决冲突        使用网络中最长的链.        :return: 
           
             True 如果链被取代, 否则为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复制代码

第一个方法 valid_chain() 用来检查是否是有效链，遍历每个块验证hash和proof.

第2个方法 resolve_conflicts() 用来解决冲突，遍历所有的邻居节点，并用上一个方法检查链的有效性， 如果发现有效更长链，就替换掉自己的链

让我们添加两个路由，一个用来注册节点，一个用来解决冲突。

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@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复制代码

你可以在不同的机器运行节点，或在一台机机开启不同的网络端口来模拟多节点的网络，这里在同一台机器开启不同的端口演示，在不同的终端运行一下命令，就启动了两个节点：http://localhost:5000 和 http://localhost:5001

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pipenv run python blockchain.pypipenv run python blockchain.py -p 5001复制代码

然后在节点2上挖两个块，确保是更长的链，然后在节点1上访问接口/nodes/resolve ,这时节点1的链会通过共识算法被节点2的链取代。

好啦，你可以邀请朋友们一起来测试你的区块链

来源：https://learnblockchain.cn/2017/10/27/build_blockchain_by_python/

源码：https://github.com/xilibi2003/blockchain