用Python从零开始创建区块链

小灰灰 2022-05-29 02:18 196阅读 0赞

学习区块链最快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。

**准备工作**

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][Link 1]

环境准备

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[源代码][Link 2]（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][Link 2]

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：

classBlockchain(object):

def\_\_init\_\_(self):

self.chain = \[\]

self.current\_transactions = \[\]

defnew\_block(self):

\# Creates a new Block and adds it to the chain

pass

defnew\_transaction(self):

\# Adds a new transaction to the list of transactions

pass

@staticmethod

defhash(block):

\# Hashes a Block

pass

@property

deflast\_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，可参考[区块链记账原理][Link 3]

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

classBlockchain(object):

...

defnew\_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,

\})

returnself.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：

importhashlib

importjson

fromtimeimporttime

classBlockchain(object):

def\_\_init\_\_(self):

self.current\_transactions = \[\]

self.chain = \[\]

\# Create the genesis block

self.new\_block(previous\_hash=1, proof=100)

defnew\_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\_hashorself.hash(self.chain\[-1\]),

\# Reset the current list of transactions

self.current\_transactions = \[\]

self.chain.append(block)

returnblock

defnew\_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,

\})

returnself.last\_block\['index'\] +1

@property

deflast\_block(self):

returnself.chain\[-1\]

@staticmethod

defhash(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()

returnhashlib.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：

fromhashlibimportsha256

x =5

y =0\# y未知

whilesha256(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。

importhashlib

importjson

fromtimeimporttime

fromuuidimportuuid4

classBlockchain(object):

...

defproof\_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

whileself.valid\_proof(last\_proof, proof)isFalse:

proof +=1

returnproof

@staticmethod

defvalid\_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()

returnguess\_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：

importhashlib

importjson

fromtextwrapimportdedent

fromtimeimporttime

fromuuidimportuuid4

fromflaskimportFlask

classBlockchain(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=\['GET'\])

defmine():

return"We'll mine a new Block"

@app.route('/transactions/new', methods=\['POST'\])

defnew\_transaction():

return"We'll add a new transaction"

@app.route('/chain', methods=\['GET'\])

deffull\_chain():

response = \{

'chain': blockchain.chain,

'length': len(blockchain.chain),

returnjsonify(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][Link 4]

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

importhashlib

importjson

fromtextwrapimportdedent

fromtimeimporttime

fromuuidimportuuid4

fromflaskimportFlask, jsonify, request

...

@app.route('/transactions/new', methods=\['POST'\])

defnew\_transaction():

values = request.get\_json()

\# Check that the required fields are in the POST'ed data

required = \['sender','recipient','amount'\]

ifnotall(kinvaluesforkinrequired):

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\}'\}

returnjsonify(response),201

[挖矿][Link 5]

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

importhashlib

importjson

fromtimeimporttime

fromuuidimportuuid4

fromflaskimportFlask, jsonify, request

...

@app.route('/mine', methods=\['GET'\])

defmine():

\# 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\['previous\_hash'\],

returnjsonify(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][http_localhost_5000_mine] 来进行挖矿

![1240][]

通过post请求，添加一个新交易

![1240 1][]

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][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）][Link 6]

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：

fromurllib.parseimporturlparse

...

classBlockchain(object):

def\_\_init\_\_(self):

...

self.nodes = set()

...

defregister\_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)

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

...

importrequests

classBlockchain(object)

...

defvalid\_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

whilecurrent\_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

ifblock\['previous\_hash'\] != self.hash(last\_block):

returnFalse

\# Check that the Proof of Work is correct

ifnotself.valid\_proof(last\_block\['proof'\], block\['proof'\]):

returnFalse

last\_block = block

current\_index +=1

returnTrue

defresolve\_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

fornodeinneighbours:

response = requests.get(f'http://\{node\}/chain')

ifresponse.status\_code ==200:

length = response.json()\['length'\]

chain = response.json()\['chain'\]

\# Check if the length is longer and the chain is valid

iflength > max\_lengthandself.valid\_chain(chain):

max\_length = length

new\_chain = chain

\# Replace our chain if we discovered a new, valid chain longer than ours

ifnew\_chain:

self.chain = new\_chain

returnTrue

returnFalse

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。

@app.route('/nodes/register', methods=\['POST'\])

defregister\_nodes():

values = request.get\_json()

nodes = values.get('nodes')

ifnodesisNone:

return"Error: Please supply a valid list of nodes",400

fornodeinnodes:

blockchain.register\_node(node)

response = \{

'message':'New nodes have been added',

'total\_nodes': list(blockchain.nodes),

returnjsonify(response),201

@app.route('/nodes/resolve', methods=\['GET'\])

defconsensus():

replaced = blockchain.resolve\_conflicts()

ifreplaced:

response = \{

'message':'Our chain was replaced',

'new\_chain': blockchain.chain

else:

response = \{

'message':'Our chain is authoritative',

'chain': blockchain.chain

returnjsonify(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

![1240 2][]

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。

![1240 3][]

好啦，你可以邀请朋友们一起来测试你的区块链

本文主要内容翻译自Learn Blockchains by Building One

作者：Tiny熊 译

https://learnblockchain.cn/2017/10/27/build\_blockchain\_by\_python/

[Link 1]: https://learncryptography.com/hash-functions/what-are-hash-functions
[Link 2]: https://github.com/xilibi2003/blockchain
[Link 3]: https://learnblockchain.cn/2017/10/25/whatbc/
[Hashcash]: https://en.wikipedia.org/wiki/Hashcash
[Link 4]: https://learnblockchain.cn/2017/10/27/build_blockchain_by_python/#%E5%8F%91%E9%80%81%E4%BA%A4%E6%98%93
[Link 5]: https://learnblockchain.cn/2017/10/27/build_blockchain_by_python/#%E6%8C%96%E7%9F%BF
[http_localhost_5000_mine]: http://localhost:5000/mine
[1240]: /images/20220529/864b31c2cdef43f98ba3ee11c01c5882.png
[1240 1]: /images/20220529/ca1b66c9cb3c4c81b39daf80f4b0b63b.png
[http_localhost_5000_chain]: http://localhost:5000/chain
[Link 6]: https://learnblockchain.cn/2017/10/27/build_blockchain_by_python/#%E4%B8%80%E8%87%B4%E6%80%A7%EF%BC%88%E5%85%B1%E8%AF%86%EF%BC%89
[1240 2]: /images/20220529/23eadc58c6b74bf7864a6838cf27652e.png
[1240 3]: /images/20220529/7eed02f642c2414c8cd760a7d0436891.png