用python从0开始创建一个区块链，从代码深入理解区块链

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

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。

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。

先看看什么去区块链？

假如你是一位女生，在某个晚上，你男票跟你说了一句："我爱你一生一世"； 然后，你把这句话发给了你的闺蜜、爸妈、朋友圈、公众号、微信群等，你男票再也无法抵赖，你打赏点小费感谢他们给你记住并作证，这个小费就是token。 你、你男票、"我爱你一生一世"这句话、说这句话的时间地点等信息，打包起来形成一个结构化的信息包，这个信息包就叫"区块"。 而你的闺蜜、爸妈、朋友圈、公众号、微信群等节点就是链。最后你男票如果不承认说过这句话，当了负心汉；你翻出这个账本对质，把他臭骂一顿，这就是区块链应用。 还有啊，你男票这个节点会永远被踢出网络，如果你对朋友圈足够大，这个男的可能永远找不到女朋友了。在这个例子中好像区块链解决了人与人之间的信任问题。但其实只是个假象。 N年后，男朋友对她的爱依然可能消失，海誓山盟并没有被背书。至于，分手后对男方造成影响，更是不道德的，这分明就是一种网络暴力。爱或者不爱，都是你们两个的事，与区块链无关。

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

环境准备，确保已经安装Python3.6+, pip , Flask, requests

安装方法：

同时还需要一个HTTP客户端，比如Postman，cURL或其它客户端。

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。

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：

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：

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{% post_link whatbc 区块链技术原理 %}。

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：

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：

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：

结果是y=21，因为：

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。

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：

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：

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：

挖矿

挖矿正是神奇所在，它很简单，做了以下三件事：

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。

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：

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，则用以下的cURL语句也是一样的：

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。

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：

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：

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。

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，在不同的终端运行以下命令，就启动了两个节点：http://localhost:5000 和 http://localhost: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。

作者：书生婉悠

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