最快的學習區塊鏈的方式是自己建立一個。
我們都對比特幣的崛起感到驚訝驚奇，並且想知道其背後的技術——區塊鏈是如何實現的。
但是完全搞懂區塊鏈並非易事，至少對我來講是這樣。我喜歡在實踐中學習，通過寫程式碼來學習技術會掌握得更牢固。通過構建一個區塊鏈可以加深對區塊鏈的理解。
準備工作
我們知道區塊鏈是由區塊的記錄構成的不可變、有序的鏈結構，記錄可以是交易、檔案或任何你想要的資料，重要的是它們是通過雜湊值（hashes）連結起來的。
閱讀這篇文章，要求讀者對Python有基本的瞭解，能編寫基本的Python程式碼，並且需要對HTTP請求有基本的理解。
環境準備
確保已經安裝Python3.6+, pip , Flask, requests。
安裝方法：
pip install Flask==0.12.2 requests==2.18.4
複製程式碼同時還需要一個HTTP客戶端，比如Postman，cURL或其它客戶端。
一、開始建立BlockChain
開啟你最喜歡的文字編輯器或者IDE，比如PyCharm，新建一個檔案 blockchain.py，本文所有的程式碼都寫在這一個檔案中。
BlockChain類
首先建立一個Blockchain類，在建構函式中建立了兩個列表，一個用於儲存區塊鏈，一個用於儲存交易。
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 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
複製程式碼Blockchain類用來管理鏈條，它能儲存交易，加入新塊等，下面我們來進一步完善這些方法。
塊結構
每個區塊包含屬性：索引（index），Unix時間戳（timestamp），交易列表（transactions），工作量證明（稍後解釋）以及前一個區塊的Hash值。
以下是一個區塊結構：
block = {
'index': 1,
'timestamp': 1506057125.900785,
'transactions': [
{
'sender': "8527147fe1f5426f9dd545de4b27ee00",
'recipient': "a77f5cdfa2934df3954a5c7c7da5df1f",
'amount': 5,
}
],
'proof': 324984774000,
'previous_hash': "2cf24dba5fb0a30e26e83b2ac5b9e29e1b161e5c1fa7425e73043362938b9824"
}
複製程式碼到這裡，區塊鏈的概念就清楚了，每個新的區塊都包含上一個區塊的Hash，這是關鍵的一點，它保障了區塊鏈不可變性。如果攻擊者破壞了前面的某個區塊，那麼後面所有區塊的Hash都會變得不正確。
加入交易
接下來我們需要新增一個交易，來完善下new_transaction方法
class Blockchain(object):
...
def new_transaction(self, sender, recipient, amount):
"""
生成新交易資訊，資訊將加入到下一個待挖的區塊中
: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
複製程式碼方法向列表中新增一個交易記錄，並返回該記錄將被新增到的區塊(下一個待挖掘的區塊)的索引，等下在使用者提交交易時會有用。
建立區塊
當Blockchain例項化後，我們需要構造一個創世塊（沒有前區塊的第一個區塊），並且給它加上一個工作量證明。
每個區塊都需要經過工作量證明，俗稱挖礦，稍後會繼續講解。
為了構造創世塊，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 block
self.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 transactions
self.current_transactions = []
self.chain.append(block)
return block
def new_transaction(self, sender, recipient, amount):
"""
生成新交易資訊，資訊將加入到下一個待挖的區塊中
: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
@property
def last_block(self):
return self.chain[-1]
@staticmethod
def 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 hashes
block_string = json.dumps(block, sort_keys=True).encode()
return hashlib.sha256(block_string).hexdigest()
複製程式碼通過上面的程式碼和註釋可以對區塊鏈有直觀的瞭解，接下來我們看看區塊是怎麼挖出來的。
理解工作量證明
新的區塊依賴工作量證明演算法（PoW）來構造。PoW的目標是找出一個符合特定條件的數字，這個數字很難計算出來，但容易驗證。這就是工作量證明的核心思想。
為了方便理解，我們舉個例子：
假設一個整數 x 乘以另一個整數 y 的積的 Hash 值必須以 0 結尾，即 hash(x * y) = ac23dc…0。設變數 x = 5，求 y 的值？
用Python實現如下：
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}')
複製程式碼結果y=21，因為：
hash(5 * 21) = 1253e9373e...5e3600155e860
複製程式碼在比特幣中，使用稱為Hashcash的工作量證明演算法，它和上面的問題很類似。礦工們為了爭奪建立區塊的權利而爭相計算結果。通常，計算難度與目標字串需要滿足的特定字元的數量成正比，礦工算出結果後，會獲得比特幣獎勵。
當然，在網路上非常容易驗證這個結果。
實現工作量證明
讓我們來實現一個相似PoW演算法，規則是：
尋找一個數 p，使得它與前一個區塊的 proof 拼接成的字串的 Hash 值以 4 個零開頭。
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:
- 查詢一個 p' 使得 hash(pp') 以4個0開頭
- p 是上一個塊的證明, p' 是當前的證明
: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):
"""
驗證證明: 是否hash(last_proof, proof)以4個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"
複製程式碼衡量演算法複雜度的辦法是修改零開頭的個數。使用4個來用於演示，你會發現多一個零都會大大增加計算出結果所需的時間。
現在Blockchain類基本已經完成了，接下來使用HTTP requests來進行互動。
二、BlockChain作為API介面
我們將使用Python Flask框架，這是一個輕量Web應用框架，它方便將網路請求對映到 Python函式，現在我們來讓Blockchain執行在基於Flask web上。
我們將建立三個介面：
/transactions/new 建立一個交易並新增到區塊
/mine 告訴伺服器去挖掘新的區塊
/chain 返回整個區塊鏈
建立節點
我們的Flask伺服器將扮演區塊鏈網路中的一個節點。我們先新增一些框架程式碼：
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='127.0.0.1', port=5000)
複製程式碼簡單的說明一下以上程式碼：
- 第15行: 建立一個節點；
- 第18行: 為節點建立一個隨機的名字；
- 第21行: 例項Blockchain類；
- 第24–26行: 建立/mine GET介面；
- 第28–30行: 建立/transactions/new POST介面,可以給介面傳送交易資料；
- 第32–38行: 建立 /chain 介面, 返回整個區塊鏈；
- 第40–41行: 服務執行在埠5000上。
傳送交易
傳送到節點的交易資料結構如下：
{
"sender": "my address",
"recipient": "someone else's address",
"amount": 5
}
複製程式碼之前已經有新增交易的方法，基於介面來新增交易就很簡單了。
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 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
複製程式碼挖礦
挖礦正是神奇所在，它很簡單，做了一下三件事：
-
計算工作量證明PoW；
-
通過新增一個交易授予礦工（自己）一個幣；
-
構造新區塊並將其新增到鏈中；
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)
# 給工作量證明的節點提供獎勵.
# 傳送者為 "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 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
複製程式碼注意交易的接收者是我們自己的伺服器節點，我們做的大部分工作都只是圍繞Blockchain類方法進行互動。到此，我們的區塊鏈就算完成了，我們來實際執行下
三、執行區塊鏈
你可以使用cURL 或Postman 去和API進行互動
啟動server:
$python blockchain.py
* Runing on http://127.0.0.1:5000/ (Press CTRL+C to quit)
複製程式碼讓我們通過請求 http://localhost:5000/mine 來進行挖礦
$ curl -X POST -H "Content-Type: application/json" -d '{
"sender": "d4ee26eee15148ee92c6cd394edd974e",
"recipient": "someone-other-address",
"amount": 5
}' "http://localhost:5000/transactions/new"
複製程式碼在挖了兩次礦之後，就有3個塊了，通過請求 http://localhost:5000/chain 可以得到所有的塊資訊。
{
"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
}
複製程式碼四、一致性（共識）
非常棒，我們已經有了一個基本的區塊鏈可以接受交易和挖礦。但是區塊鏈系統應該是分散式的。既然是分散式的，那麼我們究竟拿什麼保證所有節點有同樣的鏈呢？這就是一致性問題，我們要想在網路上有多個節點，就必須實現一個一致性的演算法。
註冊節點
在實現一致性演算法之前，我們需要找到一種方式讓一個節點知道它相鄰的節點。每個節點都需要儲存一份包含網路中其它節點的記錄。因此讓我們新增幾個介面：
/nodes/register 接收URL形式的新節點列表
/nodes/resolve 執行一致性演算法，解決任何衝突，確保節點擁有正確的鏈
我們修改下Blockchain的init函式並提供一個註冊節點方法：
...
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)
複製程式碼我們用 set 來儲存節點，這是一種避免重複新增節點的簡單方法。
實現共識演算法
前面提到，衝突是指不同的節點擁有不同的鏈，為了解決這個問題，規定最長的、有效的鏈才是最終的鏈，換句話說，網路中有效最長鏈才是實際的鏈。
我們使用以下的演算法，來達到網路中的共識
...
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):
"""
共識演算法解決衝突
使用網路中最長的鏈.
:return: <bool> True 如果鏈被取代, 否則為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
複製程式碼第1個方法 valid_chain() 用來檢查是否是有效鏈，遍歷每個塊驗證hash和proof。
第2個方法 resolve_conflicts() 用來解決衝突，遍歷所有的鄰居節點，並用上一個方法檢查鏈的有效性， 如果發現有效更長鏈，就替換掉自己的鏈。
讓我們新增兩個路由，一個用來註冊節點，一個用來解決衝突。
@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
複製程式碼你可以在不同的機器執行節點，或在一臺機機開啟不同的網路埠來模擬多節點的網路，這裡在同一臺機器開啟不同的埠演示，在不同的終端執行一下命令，就啟動了兩個節點：http://localhost:5000 和 http://localhost:5001
pipenv run python blockchain.py
pipenv run python blockchain.py -p 5001
複製程式碼然後在節點2上挖兩個塊，確保是更長的鏈，然後在節點1上訪問介面/nodes/resolve ,這時節點1的鏈會通過共識演算法被節點2的鏈取代。
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