从零开始，创建自己的区块链

本文内容主要翻译自《通过建筑了解区块链》。学习区块链最快的方法就是自己创造一个。我们都对比特币的崛起感到惊讶，想知道其背后的技术——区块链是如何实现的。

但是要完全理解区块链并不容易，至少对我来说是这样。我喜欢通过实践来学习，通过写代码可以更牢固地掌握技术。通过建造区块链，我们可以加深对区块链的了解。

我们知道，区块链是一个不可变的有序的链式结构，由块的记录组成。记录可以是交易、文件或任何你想要的数据。重要的是，它们是通过哈希链接在一起的。阅读本文要求读者对Python有基本的了解，能够编写基本的Python代码，并对HTTP请求有基本的了解。确保已经安装了Python3.6、pip、Flask、requests。安装方法：pip安装flash==0.12.2请求==2.18.4。同时你需要一个HTTP客户端，比如Postman，cURL或者其他客户端。

打开你喜欢的文本编辑器或者IDE，比如PyCharm，新建一个文件blockchain.py本文所有代码都写在这个文件里。区块链类首先创建一个区块链类，在构造函数中创建两个列表，一个存储区块链，另一个存储交易。以下是区块链类的框架：class Block chain(object):def _ _ init _ _(self):self . chain=[]self . current _ transactions=[]def new _ Block(self):#创建一个新的块并将其添加到chain pass def new _ transaction(self):#向transactions的列表中添加一个新的事务pass @ static method def hash(Block):# Hashes a Block pass @ property def last _ Block(self):#返回链中的最后一个块区块链类用于管理链。它可以存储事务、添加新块等。让我们进一步改进这些方法。该结构的每个块都包含属性：索引、Unix时间戳、事务、工作负载证书(稍后解释)和前一个块的哈希值。接下来是一个块结构：block={'index' 1，' timestamp' 1506057125.900785，' transactions '[{ ' sender '' 8527147 Fe 1 f 5426 f 9 DD 545 de 44b 27 ee 00 '' recipient '' a 77 F5 cdfa 2934 df 3954 a5 c 7 da 5d f1 f '' amount' 5，}]，' proof '32498474000，Previous _ Hash '每个新块都包含前一个块的哈希，这是关键点，它保证了区块链的不变性。如果攻击者破坏了前面的一个块，所有后续块的散列将变得不正确。加入事务接下来我们需要添加一个事务来完善new_transaction方法classblockchain (object):def new _ transaction (self，sender，recipient，amount):' '若要生成新的事务信息，该信尚力财经小编2022息将被添加到下一个要挖掘的块中：param sender:sender的地址：param recipient:recipient的地址：param amount: amount: return:将保存此事务的块的索引' ' ' self . current _ transactions . append({ ' sender 'recipient:' amount 'amount)，})return self . last _ block[' index ']1方法将事务记录添加到列表中， 并返回记录将被添加到的块(下一个要挖掘的块)的索引，这在用户稍后提交事务时会很有用。 创建区块在区块链实例化的时候，我们需要构造一个创建区块(没有前一个区块的第一个区块)，并为其添加一个工作负载证明。每个区块都需要用工作量来证明，俗称挖矿，后面会解释。 为了构造创世块，我们还需要完善new_block()，new_transaction()和哈希()方法：import hashlibimport JSON from time导入时间类区块链(object):def _ _ init _ _(self):self。current _ transactions=[]自身。chain=[]#创建创世纪块自我。new _ block(previous _ hash=1，proof=100) def new_block(self，proof，previous_hash=None):' ' '生成新块：参数校样：工作证明算法给出的证明：param previous_hash:(可选)前一个块的哈希：返回：新块' ' ' Block={ ' index 'len(self。chain)1，'时间戳'time()，' transactions 'self。current _尚力财经小编2022 transactions，“proof”:proof，“previous _ hash”:previous _ hash或self.hash(self.chain[-1])，} #重置当前的处理列表自我。current _ transactions=[]。链条。append(Block)return Block def New _ transactions(自身，发送方金额):'''生成新交易信息，信息将加入到下一个待挖的区块中：参数发送者：发件人地址：参数收件人：收件人地址：参数金额：金额：返回：将保存此事务的块的索引' '自我。当前交易记录。追加({ '发件人'发件人，'收件人'收件人，'金额'金额，})返回self。last _ Block[' index ']1 @ property def last _ Block(self):返回self。chain[-1]@静态方法定义哈希(块):' ' '生成块的SHA-256杂碎值：param block: Block:return: '''#我们必须确保字典是有序的，否则我们将得到不一致的hashes Block _ string=JSON。转储(Block，sort_keys=True).编码()返回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（动力)来构造100 .啪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，我们举个例子：假设一个整数x乘以另一个整数y的积的混杂值必须以0 结尾，即hash(x * y)=ac23dc…0。设变量x=5，求y的值？用计算机编程语言实现如下：从哈希里布导尚力财经小编2022入sha256x=5y=0 # y未知而sha 256(f"{ x * y } " .encode()).hexdigest()[-1]！='0'y=1print(f '解是y={y} ')结果y=21，因为：哈希(5 * 21)=1253e9373e.5e3600155e860在比特币中，使用称为哈希卡什的工作量证明算法，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啪算法，规则是：寻找一个数p，使得它与前一个区块的证明拼接成的字符串的混杂值以四个零开头。import hashlibimport JSON from time import time from uuid import uuid 4类区块链（对象):定义工作证明（自己的，最后的证明):'''简单的工作量证明：- 查找一个p '使得哈希(pp ')以四个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而self。有效证明(最后证明，证明)为False:proof=1返回proof @ static method def valid _ proof(last _ proof，proof):' ' '验证证明：是否hash(last_proof，proof)以四个0开头？param last_proof:上一个证明：参数校样：当前证明：返回：如果正确则为没错，否则为错误.'' guess=f"{ last _ proof } { proof } " .encode()guess _ hash=hashlib。沙256(猜)。hexdigest()返回guess_hash[:4]=='0000 '衡量算法复杂度的办法是修改零开头的个数。使用四个来用于演示，你会发现多一个零都会大大增加计算出结果所需的时间。现在区块链类基本已经完成了，接下来使用超文本传送协议请求来进行交互。

我们将使用蟒蛇皮烧瓶框架，这是一个轻量网应用框架，它方便将网络请求映射到计算机编程语言函数，现在我们来让区块链运行在基于烧瓶网上。我们将创建三个接口：/交易/新建创建一个交易并添加到区块/我的告诉服务器去挖掘新的区块/链返回整个区块链创建节点我们的瓶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 hashlibimport JSON from text wrap import deden from time import time from uuid import uuid 4 from flask import flask class区块链(对象):#实例化我们的Nodeapp=Flask(__name__)#为此nodenode_identifier=str(uuid4())生成一个全局唯一的地址. replace('-'' ')#实例化区块链区块链=区块链()@ app。route('/mine 'methods=[' GET '])def mine():return '我们将挖掘一个新块' @ app。route('/chain 'methods=[' GET '])def full _ chain():response={ ' chain '区块链。链，'长度'len(blockchain.chain)，}返回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：实例区块链类。第2426行：创建/我的得到接口。第2830行：创建/交易ns/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 hashlibimport jsonfrom textwrap import dedentfrom time import timefrom 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挖矿挖矿正是神奇所在，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import hashlibimport jsonfrom time import timefrom 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) # 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 chainblock = 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

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}

非常棒，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: 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。我们使用以下的算法，来达到网络中的共识...import requestsclass Blockchain(object)... def valid_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 = 1while current_index < len(chain):block = chain[current_index]print(f'{last_block}')print(f'{block}')print(" ----------- ") # 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 True def resolve_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.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_chain return True return False第1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'])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:5001pipenv run python blockchain.pypipenv 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。

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