作者认为最快的学习区块链的方式是自己创建一个，本文就跟随作者用Python来创建一个区块链。

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。

如果你还不是很了解哈希，可以查看这篇文章

环境准备

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

安装方法：


1



pip install Flask==0.12.2 requests==2.18.4



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：


1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22



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：


1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13



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



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


1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19



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: <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：


1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66



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):         """         生成新块         :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，信息将加入到下一个待挖的区块中         :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):         """         生成块的 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：


1 2 3 4 5 6



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}')


结果是y=21. 因为：


1



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



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。


1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37



import hashlib import json  from time import time from uuid import uuid4   class 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: <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):         """         验证证明: 是否hash(last_proof, proof)以4个0开头?         :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。

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：


1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41



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: 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：


1 2 3 4 5



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



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


1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24



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：


  2. 计算工作量证明PoW
  3. 通过新增一个交易授予矿工（自己）一个币
  4. 构造新区块并将其添加到链中


1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36



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)      # 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


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:


1 2



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



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：


1 2 3 4 5



$ 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。


1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38



{   "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：


  2. /nodes/register 接收URL形式的新节点列表
  3. /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：


1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20



... 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

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


1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67



... 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):         """         共识算法解决冲突         使用网络中最长的链.         :return: <bool> 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



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。


1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34



@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​​


1 2



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



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