如何用Python创建眼下火爆的区块链？这篇干货请收藏

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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。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。在实践中学习，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

确保已经安装Python3.6+, pip , Flask, requests，安装方法：

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

https://github.com/xilibi2003/blockchain

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

https://github.com/xilibi2003/blockchain

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：

 

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：

 

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。

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：

 

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：

 

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：

 

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：

 

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。

 

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：

 

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：

 

{  
"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

 

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：

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

 

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)  
 
   # 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：

 

$ 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：

 

$ 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  
} 

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：

 

...  
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。

 

...  
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；第二个方法 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。

 

@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

 

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！