通过python构建一个区块链来学习区块链

了解区块链Blockchains如何工作的最快方法就是构建一个区块链。你来到这里是因为，和我一样，你对加密钱币的崛起感到很兴奋。而且你想知道区块链是如何工作的，想了解它们背后的基本技术。

但理解区块链并不容易，或者至少不适合我。我在密集的视频中跋涉，接着是千疮百孔的教程，并且处理了极少数放大挫折的例子。

我喜欢边做边学。它迫使我在代码级别处理主题，这使得它坚持下去。如果你这样做，在本指南的最后，你将拥有一个功能正常的区块链，可以牢牢掌握它们的工作原理。

在你开始之前…

请记住，区块链是一个名为Blocks的不可变的连续记录链。它们可以包含你喜欢的交易，文件或任何数据。但重要的是他们用哈希链接在一起。

如果你不确定哈希是什么，这里有一个解释。

本指南的目标是谁？你应该舒服地阅读和能编写一些基本的Python，并且对HTTP请求的工作方式有一些了解，因为我们将通过HTTP与我们的区块链交互。

我需要什么？确保安装了Python 3.6 +（以及pip）。你还需要安装Flask和精彩的Requests库：

pip install Flask==0.12.2 requests==2.18.4

哦，你还需要一个HTTP客户端，比如Postman或cURL。任何一个都可以。

最终的代码在哪里？源代码可在此处获得。

第1步：构建区块链

打开你最喜欢的文本编辑器或IDE，我个人PyCharm。创建一个名为blockchain.py的新文件。我们只会使用一个文件，但是如果你迷路了，你总是可以参考源代码。

代表区块链

我们将创建一个Blockchain类，其构造函数创建一个初始的空列表（用于存储我们的Blockchain链），另一个用于存储交易。这是我们Class的蓝图：

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

我们的Blockchain类负责管理链。它将存储交易并具有一些辅助方法，用于向链中添加新块。让我们开始充实一些方法。

Block看起来像什么？

每个块都有一个索引，一个时间戳（在Unix时间内），一个交易列表，一个证明（后面会有更多内容），以及前一个块的哈希值。

以下是单个Block的示例：

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

在这一点上，链的概念应该是显而易见的，每个新块本身包含前一个块的hash。这是至关重要的，因为它是区块链不可变性的原因：如果攻击者破坏链中的早期块，则所有后续块将包含不正确的哈希值。

这有意义吗？如果没有，花一些时间了解，它是区块链背后的核心理念。

将交易添加到块

我们需要一种向块添加交易的方法。我们的new_transaction()方法对此负责，而且非常简单：

class Blockchain(object):...def new_transaction(self, sender, recipient, amount):"""Creates a new transaction to go into the next mined Block: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

在new_transaction()向列表添加交易之后，它返回交易将被添加到下一个要被挖掘的块的索引。这将对以后提交交易的用户有用。

创建新块

当我们的Blockchain被实例化时，我们需要用一个创世块，一个没有前任的区块来种子化它。我们还需要在我们的创世块中添加一个证明proof，这是挖掘（或工作量证明）的结果。我们稍后会详细谈论挖掘。

除了在构造函数中创建genesis块之外，我们还将new_block()，new_transaction()和hash()：

import hashlib
import json
from time import timeclass 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):"""Create a new Block in the Blockchain: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):"""Creates a new transaction to go into the next mined Block: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):"""Creates a SHA-256 hash of a Block: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()

以上内容应该是直截了当的，我已经添加了一些注释和文档字符串以帮助保持清晰。我们几乎完成了代表我们的区块链。但在这一点上，你必须想知道如何创建，伪造或挖掘新块。

理解工作量证明

工作量证明算法（PoW）是在区块链上创建或挖掘新块的方式。PoW的目标是发现一个解决问题的数字。这个数字必须很难找到，但很容易通过网络上的任何人进行核算——计算。这是工作证明背后的核心理念。

我们将看一个非常简单的例子来帮助这个陷入困境。

让我们决定某个整数x的hash乘以另一个y必须以0结尾。所以，hash(x * y) = ac23dc...0。对于这个简化的例子，让我们修复x = 5。在Python中实现这个：

from hashlib import sha256
x = 5
y = 0  # We don't know what y should be yet...
while sha256(f'{x*y}'.encode()).hexdigest()[-1] != "0":y += 1
print(f'The solution is y = {y}')

这里的解决方案是y = 21。因为，生成的hash以0结尾：

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

在比特币中，工作证明算法称为Hashcash。它与我们上面的基本示例没有什么不同。这是矿工为了创造一个新的块而竞争解决的算法。通常，难度取决于字符串中搜索的字符数。然后矿工通过接收硬币进行交易而获得奖励。

网络能够轻松验证其解决方案。

实施基本的工作量证明

让我们为区块链实现类似的算法。我们的规则与上面的例子类似：

找到一个数字p，当使用前一个块的解决方案进行hash时，会生成一个带有4个前导0的hash。

import hashlib
import jsonfrom time import time
from uuid import uuid4class Blockchain(object):...def proof_of_work(self, last_proof):"""Simple Proof of Work Algorithm:- Find a number p' such that hash(pp') contains leading 4 zeroes, where p is the previous p'- p is the previous proof, and p' is the new proof: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):"""Validates the Proof: Does hash(last_proof, proof) contain 4 leading zeroes?: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"

为了调整算法的难度，我们可以修改前导零的数量。但是4就足够了。你会发现，添加一个前导零会使找到解决方案所需的时间产生巨大差异。

我们的类几乎完成了，我们准备开始使用HTTP请求与它进行交互。

第2步：我们的区块链作为API

我们将使用Python Flask Framework。它是一个微框架，可以很容易地将端点映射到Python函数。这允许我们使用HTTP请求通过Web与我们的区块链交互。

我们将创建三种方法：

/transactions/new为块创建新交易。
/mine告诉我们的服务器挖掘一个新块。
/chain返回完整的区块链。

设置flask

我们的“服务器”将在我们的区块链网络中形成一个单一节点。让我们创建一些样板代码：

import hashlib
import json
from textwrap import dedent
from time import time
from uuid import uuid4from flask import Flaskclass 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), 200if __name__ == '__main__':app.run(host='0.0.0.0', port=5000)

我们上面添加的内容的简要说明：

第15行：实例化我们的节点。在这里关于Flask的信息。
第18行：为我们的节点创建一个随机名称。
第21行：实例化我们的Blockchain类。
第24-26行：创建/mine，这是一个GET请求。
第28-30行：创建/transactions/new，这是一个POST请求，因为我们将向其发送数据。
第32-38行：创建/chain，返回完整的区块链。
第40-41行：在端口5000上运行服务器。

交易

这就是交易请求的样子。这是用户发送到服务器的内容：

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

由于我们已经有了用于向块添加交易的类方法，因此其余方法很简单。让我们编写添加交易的函数：

import hashlib
import json
from textwrap import dedent
from time import time
from 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 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

采矿

我们的挖掘终点是魔术发生的地方，而且很容易。它必须做三件事：

计算工作量证明。
通过添加授予我们1个硬币的交易来奖励矿工（我们）。
通过将新块添加到链中来构造新块。

import hashlib
import jsonfrom time import time
from 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_blocklast_proof = last_block['proof']proof = blockchain.proof_of_work(last_proof)# We must receive a reward for finding the proof.# The sender is "0" to signify that this node has mined a new coin.blockchain.new_transaction(sender="0",recipient=node_identifier,amount=1,)# Forge the new Block by adding it to the chainprevious_hash = blockchain.hash(last_block)block = blockchain.new_block(proof, previous_hash)response = {'message': "New Block Forged",'index': block['index'],'transactions': block['transactions'],'proof': block['proof'],'previous_hash': block['previous_hash'],}return jsonify(response), 200

请注意，挖掘块的接收者是我们节点的地址。我们在这里所做的大部分工作都只是与Blockchain类的方法进行交互。此时，我们已经完成了，并且可以开始与我们的区块链进行交互。

第3步：与我们的区块链交互

你可以使用普通的旧cURL或Postman通过网络与我们的API进行交互。

启动服务器：

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

让我们通过向http://localhost:5000/mine发出GET请求来尝试挖掘一个块：

让我们通过向http://localhost:5000/transactions/new发出POST请求来创建一个新交易，其中包含我们的交易结构的主体：

如果你不使用Postman，那么你可以使用cURL进行等效请求：

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

我重新启动了我的服务器，并开采了两个区块，共计3个。让我们通过请求检查整个http://localhost:5000/chain：

{"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
}

第4步：达成共识

这很酷。我们有一个基本的区块链接受交易并允许我们挖掘新的区块。但区块链的重点在于它们应该是去中心化的。如果它们是去中心化的，我们究竟如何确保它们都反映出同一条链？这被称为共识问题，如果我们想在网络中使用多个节点，我们必须实施共识算法。

注册新节点

在我们实现共识算法之前，我们需要一种方法让节点了解网络上的相邻节点。我们网络上的每个节点都应该保留网络上其他节点的注册表。因此，我们需要更多的端点：

/nodes/register接受URL形式的新节点列表。
/nodes/resolve实现我们的共识算法，它解决任何冲突 - 以确保节点具有正确的链。

我们需要修改Blockchain的构造函数并提供注册节点的方法，一种向网络添加相邻节点的方法：

...
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)

请注意，我们使用set()来保存节点列表。这是一种确保添加新节点是幂等的廉价方法，这意味着无论我们添加特定节点多少次，它都只出现一次。

实施共识算法

如上所述，冲突是指一个节点与另一个节点具有不同的链。要解决此问题，我们将制定最长有效链具有权威性的规则。换句话说，网络上最长的链是事实上的链。使用此算法，我们在网络中的节点之间达成共识。

...
import requestsclass 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):"""This is our Consensus Algorithm, it resolves conflictsby replacing our chain with the longest one in the network.:return: <bool> True if our chain was replaced, False if not"""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

第一种方法valid_chain()负责通过循环遍历每个块并验证hash和证明来检查链是否有效。

resolve_conflicts()是一种循环遍历所有相邻节点，下载其链并使用上述方法验证它们的方法。如果找到一个有效链，其长度大于我们的，我们将替换我们的。

让我们将两个端点注册到我们的API，一个用于添加相邻节点，另一个用于解决冲突：

@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", 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

此时，你可以根据需要获取不同的计算机，并在网络上启动不同的节点。或者在同一台机器上使用不同的端口启动进程。我在我的机器上，在另一个端口上旋转另一个节点，并将其注册到我当前的节点。因此，我有两个节点：http://localhost:5000和http://localhost:5001。

然后我在节点2上挖掘了一些新块，以确保链更长。之后，我在节点1上调用了GET/nodes/resolve，其中链被共识算法取代：

这是一个warp…去找一些朋友一起帮助测试你的区块链。

我希望这能激发你创造新事物。我对Cryptocurrencies感到欣喜若狂，因为我相信Blockchains会迅速改变我们对经济，政府和记录保存的看法。

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