在數(shù)字貨幣盛行的檔口，比特幣，這幣那幣到底值不值得信賴呢？也許你像很多人一樣感到新奇，想接近它，但只因背后的區(qū)塊鏈技術(shù)，阻斷了向新領(lǐng)域嘗試的步伐。不過，對于程序員來說，想真正搞懂比特幣，搞懂區(qū)塊鏈，可不是難題，因?yàn)樗麄兡苓呁孢厡W(xué)，通過一行行pyhton代碼，就能真正理解數(shù)字貨幣的底層秘密。能用這么有逼格的方式來學(xué)習(xí)區(qū)塊鏈的，也只有程序員了。

作者 |?Daniel van Flymen ?紐約區(qū)塊鏈工程師

譯者 | 熊麗兵?牛娃軟件CTO

準(zhǔn)備工作

本文要求讀者對Python有基本的理解，能讀寫基本的Python，并且需要對HTTP請求有基本的了解。

我們知道區(qū)塊鏈?zhǔn)怯蓞^(qū)塊的記錄構(gòu)成的不可變、有序的鏈結(jié)構(gòu)，記錄可以是交易、文件或任何你想要的數(shù)據(jù)，重要的是它們是通過哈希值（hashes）鏈接起來的。

如果你還不是很了解哈希，可以查看這篇文章https://learncryptography.com/hash-functions/what-are-hash-functions

環(huán)境準(zhǔn)備

環(huán)境準(zhǔn)備，確保已經(jīng)安裝Python3.6+, pip , Flask, requests

安裝方法：

pip install Flask==0.12.2 requests==2.18.4

同時(shí)還需要一個(gè)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(shí)候，無法運(yùn)行，我fork了一份，修復(fù)了其中的錯(cuò)誤，并添加了翻譯，感謝star）

開始創(chuàng)建Blockchain

新建一個(gè)文件 blockchain.py，本文所有的代碼都寫在這一個(gè)文件中，可以隨時(shí)參考源代碼。

Blockchain類

首先創(chuàng)建一個(gè)Blockchain類，在構(gòu)造函數(shù)中創(chuàng)建了兩個(gè)列表，一個(gè)用于儲(chǔ)存區(qū)塊鏈，一個(gè)用于儲(chǔ)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 chainpassdef new_transaction(self):# Adds a new transaction to the list of transactionspass@staticmethoddef hash(block):# Hashes a Blockpass@propertydef last_block(self):# Returns the last Block in the chainpass

Blockchain類用來管理鏈條，它能存儲(chǔ)交易，加入新塊等，下面我們來進(jìn)一步完善這些方法。

塊結(jié)構(gòu)

每個(gè)區(qū)塊包含屬性：索引（index），Unix時(shí)間戳（timestamp），交易列表（transactions），工作量證明（稍后解釋）以及前一個(gè)區(qū)塊的Hash值。

以下是一個(gè)區(qū)塊的結(jié)構(gòu)：

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

到這里，區(qū)塊鏈的概念就清楚了，每個(gè)新的區(qū)塊都包含上一個(gè)區(qū)塊的Hash，這是關(guān)鍵的一點(diǎn)，它保障了區(qū)塊鏈不可變性。如果攻擊者破壞了前面的某個(gè)區(qū)塊，那么后面所有區(qū)塊的Hash都會(huì)變得不正確。不理解的話，慢慢消化，可參考{% post_link whatbc 區(qū)塊鏈技術(shù)原理 %}

加入交易

接下來我們需要添加一個(gè)交易，來完善下new_transaction方法

class Blockchain(object):...def new_transaction(self, sender, recipient, amount):"""生成新交易信息，信息將加入到下一個(gè)待挖的區(qū)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

方法向列表中添加一個(gè)交易記錄，并返回該記錄將被添加到的區(qū)塊(下一個(gè)待挖掘的區(qū)塊)的索引，等下在用戶提交交易時(shí)會(huì)有用。

創(chuàng)建新塊

當(dāng)Blockchain實(shí)例化后，我們需要構(gòu)造一個(gè)創(chuàng)世塊（沒有前區(qū)塊的第一個(gè)區(qū)塊），并且給它加上一個(gè)工作量證明。

每個(gè)區(qū)塊都需要經(jīng)過工作量證明，俗稱挖礦，稍后會(huì)繼續(xù)講解。

為了構(gòu)造創(chuàng)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 blockself.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 transactionsself.current_transactions = []self.chain.append(block)return blockdef new_transaction(self, sender, recipient, amount):"""生成新交易信息，信息將加入到下一個(gè)待挖的區(qū)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 ? ?@propertydef last_block(self):return self.chain[-1] ? ?@staticmethoddef 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 hashesblock_string = json.dumps(block, sort_keys=True).encode()return hashlib.sha256(block_string).hexdigest()

通過上面的代碼和注釋可以對區(qū)塊鏈有直觀的了解，接下來我們看看區(qū)塊是怎么挖出來的。

理解工作量證明

新的區(qū)塊依賴工作量證明算法（PoW）來構(gòu)造。PoW的目標(biāo)是找出一個(gè)符合特定條件的數(shù)字，這個(gè)數(shù)字很難計(jì)算出來，但容易驗(yàn)證。這就是工作量證明的核心思想。

為了方便理解，舉個(gè)例子：

假設(shè)一個(gè)整數(shù) x 乘以另一個(gè)整數(shù) y 的積的 Hash 值必須以 0 結(jié)尾，即 hash(x * y) = ac23dc...0。設(shè)變量 x = 5，求 y 的值？

用Python實(shí)現(xiàn)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(jié)果是y=21. 因?yàn)?#xff1a;

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

在比特幣中，使用稱為Hashcash的工作量證明算法，它和上面的問題很類似。礦工們?yōu)榱藸帄Z創(chuàng)建區(qū)塊的權(quán)利而爭相計(jì)算結(jié)果。通常，計(jì)算難度與目標(biāo)字符串需要滿足的特定字符的數(shù)量成正比，礦工算出結(jié)果后，會(huì)獲得比特幣獎(jiǎng)勵(lì)。

當(dāng)然，在網(wǎng)絡(luò)上非常容易驗(yàn)證這個(gè)結(jié)果。

實(shí)現(xiàn)工作量證明

讓我們來實(shí)現(xiàn)一個(gè)相似PoW算法，規(guī)則是：尋找一個(gè)數(shù) p，使得它與前一個(gè)區(qū)塊的 proof 拼接成的字符串的 Hash 值以 4 個(gè)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(gè) p' 使得 hash(pp') 以4個(gè)0開頭- p 是上一個(gè)塊的證明, ?p' 是當(dāng)前的證明:param last_proof: <int>:return: <int>"""proof = 0while self.valid_proof(last_proof, proof) is False:proof += 1return proof ? ?@staticmethoddef valid_proof(last_proof, proof):"""驗(yàn)證證明: 是否hash(last_proof, proof)以4個(gè)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"

衡量算法復(fù)雜度的辦法是修改零開頭的個(gè)數(shù)。使用4個(gè)來用于演示，你會(huì)發(fā)現(xiàn)多一個(gè)零都會(huì)大大增加計(jì)算出結(jié)果所需的時(shí)間。

現(xiàn)在Blockchain類基本已經(jīng)完成了，接下來使用HTTP requests來進(jìn)行交互。

Blockchain作為API接口

我們將使用Python Flask框架，這是一個(gè)輕量Web應(yīng)用框架，它方便將網(wǎng)絡(luò)請求映射到 Python函數(shù)，現(xiàn)在我們來讓Blockchain運(yùn)行在基于Flask web上。

我們將創(chuàng)建三個(gè)接口：

• /transactions/new 創(chuàng)建一個(gè)交易并添加到區(qū)塊

• /mine 告訴服務(wù)器去挖掘新的區(qū)塊

• /chain 返回整個(gè)區(qū)塊鏈

創(chuàng)建節(jié)點(diǎn)

我們的“Flask服務(wù)器”將扮演區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)。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(chuàng)建一個(gè)節(jié)點(diǎn).
第18行: 為節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建一個(gè)隨機(jī)的名字.
第21行: 實(shí)例Blockchain類.
第24–26行: 創(chuàng)建/mine GET接口。
第28–30行: 創(chuàng)建/transactions/new POST接口,可以給接口發(fā)送交易數(shù)據(jù).
第32–38行: 創(chuàng)建 /chain 接口, 返回整個(gè)區(qū)塊鏈。
第40–41行: 服務(wù)運(yùn)行在端口5000上.

發(fā)送交易

發(fā)送到節(jié)點(diǎn)的交易數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：

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

之前已經(jīng)有添加交易的方法，基于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 datarequired = ['sender', 'recipient', 'amount']if not all(k in values for k in required):return 'Missing values', 400# Create a new Transactionindex = 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(jì)算工作量證明PoW

通過新增一個(gè)交易授予礦工（自己）一個(gè)幣

構(gòu)造新區(qū)塊并將其添加到鏈中

import hashlib import json from textwrap import dedent from time import time from uuid import uuid4 from flask import Flask, jsonify, request ... 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_blocklast_proof = last_block['proof']proof = blockchain.proof_of_work(last_proof)# 給工作量證明的節(jié)點(diǎn)提供獎(jiǎng)勵(lì).# 發(fā)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 chainblock = 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(wù)器節(jié)點(diǎn)，我們做的大部分工作都只是圍繞Blockchain類方法進(jìn)行交互。到此，我們的區(qū)塊鏈就算完成了，我們來實(shí)際運(yùn)行下。

運(yùn)行區(qū)塊鏈

你可以使用cURL 或Postman 去和API進(jìn)行交互

啟動(dòng)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(jìn)行挖礦

通過post請求，添加一個(gè)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"

在挖了兩次礦之后，就有3個(gè)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(shí)）

我們已經(jīng)有了一個(gè)基本的區(qū)塊鏈可以接受交易和挖礦。但是區(qū)塊鏈系統(tǒng)應(yīng)該是分布式的。既然是分布式的，那么我們究竟拿什么保證所有節(jié)點(diǎn)有同樣的鏈呢？這就是一致性問題，我們要想在網(wǎng)絡(luò)上有多個(gè)節(jié)點(diǎn)，就必須實(shí)現(xiàn)一個(gè)一致性的算法。

注冊節(jié)點(diǎn)

在實(shí)現(xiàn)一致性算法之前，我們需要找到一種方式讓一個(gè)節(jié)點(diǎn)知道它相鄰的節(jié)點(diǎn)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都需要保存一份包含網(wǎng)絡(luò)中其它節(jié)點(diǎn)的記錄。因此讓我們新增幾個(gè)接口：

/nodes/register 接收URL形式的新節(jié)點(diǎn)列表

/nodes/resolve 執(zhí)行一致性算法，解決任何沖突，確保節(jié)點(diǎn)擁有正確的鏈

我們修改下Blockchain的init函數(shù)并提供一個(gè)注冊節(jié)點(diǎn)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(chǔ)存節(jié)點(diǎn)，這是一種避免重復(fù)添加節(jié)點(diǎn)的簡單方法。

實(shí)現(xiàn)共識(shí)算法

前面提到，沖突是指不同的節(jié)點(diǎn)擁有不同的鏈，為了解決這個(gè)問題，規(guī)定最長的、有效的鏈才是最終的鏈，換句話說，網(wǎng)絡(luò)中有效最長鏈才是實(shí)際的鏈。

我們使用一下的算法，來達(dá)到網(wǎng)絡(luò)中的共識(shí)

... 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 = 1while 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 correctif block['previous_hash'] != self.hash(last_block):return False# Check that the Proof of Work is correctif not self.valid_proof(last_block['proof'], block['proof']):return Falselast_block = blockcurrent_index += 1return Truedef resolve_conflicts(self):"""共識(shí)算法解決沖突使用網(wǎng)絡(luò)中最長的鏈.:return: <bool> True 如果鏈被取代, 否則為False"""neighbours = self.nodesnew_chain = None# We're only looking for chains longer than oursmax_length = len(self.chain)# Grab and verify the chains from all the nodes in our networkfor 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 validif length > max_length and self.valid_chain(chain):max_length = lengthnew_chain = chain# Replace our chain if we discovered a new, valid chain longer than oursif new_chain:self.chain = new_chainreturn Truereturn False

第一個(gè)方法 valid_chain() 用來檢查是否是有效鏈，遍歷每個(gè)塊驗(yàn)證hash和proof.

第2個(gè)方法 resolve_conflicts() 用來解決沖突，遍歷所有的鄰居節(jié)點(diǎn)，并用上一個(gè)方法檢查鏈的有效性，?如果發(fā)現(xiàn)有效更長鏈，就替換掉自己的鏈。

讓我們添加兩個(gè)路由，一個(gè)用來注冊節(jié)點(diǎn)，一個(gè)用來解決沖突。

@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", 400for 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(jī)器運(yùn)行節(jié)點(diǎn)，或在一臺(tái)機(jī)機(jī)開啟不同的網(wǎng)絡(luò)端口來模擬多節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)，這里在同一臺(tái)機(jī)器開啟不同的端口演示，在不同的終端運(yùn)行一下命令，就啟動(dòng)了兩個(gè)節(jié)點(diǎn)：http://localhost:5000?和?http://localhost:5001

pipenv run python blockchain.py pipenv run python blockchain.py -p 5001

然后在節(jié)點(diǎn)2上挖兩個(gè)塊，確保是更長的鏈，然后在節(jié)點(diǎn)1上訪問接口/nodes/resolve ,這時(shí)節(jié)點(diǎn)1的鏈會(huì)通過共識(shí)算法被節(jié)點(diǎn)2的鏈取代。

好啦，你可以邀請朋友們一起來測試你的區(qū)塊鏈。

作者簡介：Daniel van Flymen，紐約區(qū)塊鏈工程師

譯者簡介：熊麗兵， 牛娃軟件 CTO ，深入淺出區(qū)塊鏈learnblockchain.cn博主，區(qū)塊鏈大本營特邀專欄作者。擅長Java/Python/JavaScript語言，曾就職于創(chuàng)新工場（點(diǎn)心團(tuán)隊(duì)），獵豹移動(dòng)，參與開發(fā)移動(dòng)應(yīng)用，如安卓優(yōu)化大師，清理大師等。昵稱Tiny熊， ,區(qū)塊鏈大本營特邀專欄作者， 對底層公鏈，區(qū)塊鏈技術(shù)落地有深入研究。

本文原始鏈接?

https://learnblockchain.cn/2017/10/27/build_blockchain_by_python/,轉(zhuǎn)載請注明出處。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的【程序员必看】如何用Python从0开始创建一个区块链？的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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