从0到1 快速建一个区块链

近期的区块链重回热点，如果你想深入了解区块链，那就来看一下本文，手把手教你构建一个自己的区块链。

弄懂区块链的最快方法-亲自构建一个

看到这篇文章，说明您也是对加密货币的兴起感兴趣，想知道区块链是如何工作的和其背后运行的技术原理。

但是想要搞懂区块链并不容易。我在众多的视频中苦苦钻研，跟随着漏洞百出的教程，经历着因区块链相关案例太少而产生的挫败感。

我喜欢从行动中学习。它迫使我从代码层面处理问题，从而解决问题。如果您和我一样做，那么在本指南的最后，您将拥有一个运行正常的区块链，并对它们的工作原理有深入的了解。

上手准备

请记住，区块链是一个不可变的、连续的记录链，称为块。它们可以包含事务、文件或您喜欢的任何数据。但是重要的是，它们通过使用哈希而被链接在一起。

如果您不确定什么是哈希值，请参考这里。

教程面向的人群?

可以轻松地阅读和编写一些基本的Python，并且对HTTP请求的工作方式有所了解，因为本文将通过HTTP与区块链进行交流。

需要准备什么?

确保已安装 Python 3.6 +(以及pip)。您还需要安装Flask和很棒的Requests库：

pip install Flask==0.12.2 requests==2.18.4

您还需要HTTP客户端，例如Postman或cURL。

源代码可在此处获得。

步骤1：构建一个区块链

打开你最喜欢的文本编辑器或IDE，我个人喜欢 PyCharm。创建一个名为blockchain.py的新文件。我们将只使用一个文件，但是如果您有困惑了，可以随时参考源代码。

展示区块链

我们将创建一个Blockchain class，它的构造函数会创建一个初始的空列表(用于存储我们的区块链)，另一个用于存储事务。这是脚本：

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

Blockchain class 的demo

我们的Blockchain class负责管理链。它将存储事物，并具有一些将新块添加到链中的辅助方法。让我们来尝试一些新的方法吧。

Block像什么?

每个Block都有以下的内容：

一个索引，
一个时间戳(Unix时间)，
一个交易列表，
一个证明(稍后会有更多说明)
前一个区块的哈希值。

单个区块示例：

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

在这一点上，链的概念应该很明显--每个新区块本身都包含前一个区块的哈希值。这是至关重要的，因为这给予了区块链的不可篡改性：如果攻击者破坏了链中较早的区块，则后续所有的区块都将包含不正确的哈希值。

不知道你能理解嘛，请多花些时间去理解它—这是区块链的核心思想。

添加事物到区块中

我们需要一种将事物添加到区块的方法。我们的new_transaction()方法有效，而且很简单：

class Blockchain(object):  
...  
def new_transaction(self, sender, recipient, amount):  
"""  
Creates a new transaction to go into the next mined Block  
:param sender: 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,  
}) 
 
return self.last_block['index'] + 1

在new_transaction()添加一个新的交易到列表中，它将返回到交易将被添加进去、即将被开采的区块的索引。这对之后提交交易的用户是很有用处的。

创建新区块

当我们Blockchain被实例化，我们需要用一个genesis块来播种它——一个没有前处理的块。还需要向我们的创世区块添加一个“证明”，这是挖掘(或工作证明)的结果。稍后我们将详细讨论挖矿。

除了在构造函数中创建genesis块，我们还将充实new_block()、new_transaction()和hash()的方法:

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):  
"""  
Create a new Block in the Blockchain  
: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_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): 
"""  
Creates a new transaction to go into the next mined Block  
: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,  
})  
return self.last_block['index'] + 1  
@property  
def last_block(self):  
return self.chain[-1]  
@staticmethod  
def hash(block):  
"""  
Creates a SHA-256 hash of a Block  
: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()  
return hashlib.sha256(block_string).hexdigest()

上面的内容应该很简单—我添加了一些注释和文档字符串来帮助保持清楚明了。对区块链的表示几乎完成了。但此时，您一定想知道如何创建、锻造或挖掘新的区块。

了解工作量证明

工作算法(PoW)是在区块链上创建或挖掘新区块的方式。PoW的目标是发现可以解决问题的数字。从数字上来说，很难找到该数字，但是很容易被网络上的任何人进行验证。这是工作证明的核心思想。

我们将看一个非常简单的示例来帮助理解。

让我们决定某个整数X乘以另一个Y的哈希必须以0结尾。因此，对于这个简化的示例，让我们修复。在Python中实现：xy0hash(x * y) = ac23dc...0x = 5

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}')

解是y = 21。因为，产生的哈希值以0结尾：

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

在比特币中，工作证明算法称为Hashcash。而且与我们上面的示例并没有太大不同。这是矿工为了创建一个新的块而竞相求解的算法。通常，难度由字符串中搜索的字符数决定。然后，通过在交易中获得硬币，矿工将借此获得奖励。

网络能够轻松验证他们的解决方案。

实施基本的工作证明

让我们为区块链实现类似的算法。我们的规则将类似于上面的示例：

找出一个数字 p ，当该数字与上一个块的解决方案进行哈希运算时，将产生一个带有4个前导4个0的哈希。

import hashlib  
import json  
from time import time  
from uuid import uuid4  
class 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:  
:return:  
"""  
proof = 0  
while self.valid_proof(last_proof, proof) is False:  
proof += 1  
return proof  
@staticmethod  
def valid_proof(last_proof, proof):  
"""  
Validates the Proof: Does hash(last_proof, proof) contain 4 leading zeroes?  
: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()  
return guess_hash[:4] == "0000"

要调整算法的难度，我们可以修改前导零的数量。但是4就足够了。您会发现，添加单个前导零会极大地缩短寻找解决方案所需的时间。

我们的类快要完成了，我们已经准备好开始使用HTTP请求与其进行交互。

步骤2：我们的区块链作为API

我们将使用Python Flask框架。这是一个微框架，可轻松将端点映射到Python函数。这使我们可以使用HTTP请求通过web与区块链进行通信。

我们将创建三种方法：

/transactions/new 创建一个新的交易块。
/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单个节点。让我们创建一个demo：

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='0.0.0.0', port=5000)

简要说明：

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

交易端点

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将事务添加到块中的类方法，因此其余操作很简单。让我们编写添加事务的函数：

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

创建交易的方法

挖矿端点

我们的挖矿终点是奇迹发生的地方，这很容易上手。

它必须做三件事：

计算工作量证明
奖励矿商(我们)通过增加一个交易给予我们1枚硬币
将新的区块上链

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)  
# 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 chain  
previous_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

注意，已开采区块的接收者是我们节点的地址。而且，我们在这里所做的大部分工作只是与Blockchain类上的方法进行交互。至此，我们已经完成，可以开始与区块链进行交互了。

步骤3：与区块链交互

您可以使用普通的旧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/ (按CTRL + C退出)

让我们尝试通过向http://localhost:5000/mine：发出GET请求来挖掘一个块：

使用邮递员发出GET请求让我们创建一个新的事务，通过发送POST请求到http://localhost:5000/transactions/new，其主体包含我们的事务结构:

使用邮递员发出POST请求

如果您不使用Postman，可以使用cURL发出等效请求：

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  
}

步骤4：共识

我们目前已经拥有一个基本的区块链，可以接受交易并允许我们挖掘新的区块。但是区块链的重点在于它们应该去中心化。而且，如果它们是去中心，我们如何确保它们都反映相同的链?这叫做共识问题，如果我们要在网络中拥有多个节点，就必须实现共识算法。

注册新节点

在实现共识算法之前，我们需要一种让节点知道网络上相邻节点的方法。我们网络上的每个节点都应保留网络上其他节点的注册表。

因此，我们将需要更多的端点：

/nodes/register 接受URL形式的新节点列表。
/nodes/resolve 实现我们的共识算法，该算法可以解决所有冲突-确保节点具有正确的链。

我们需要修改区块链的构造函数，并提供一种注册节点的方法：

...  
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: Address of node. Eg. 'http://192.168.0.5:5000'  
:return: None  
"""  
parsed_url = urlparse(address)  
self.nodes.add(parsed_url.netloc)

一种将相邻节点添加到网络的方法

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

实施共识算法

如上所述，当一个节点与另一节点具有不同的链时会发生冲突。为了解决这个问题，我们规定最长的有效链是具有最高权威的。换句话说，网络上最长的链是事实链。使用此算法，我们可以在网络中的节点之间达成共识。

...  
import requests  
class 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 = 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):  
"""  
This is our Consensus Algorithm, it resolves conflicts  
by replacing our chain with the longest one in the network.  
:return: True if our chain was replaced, False if not  
"""  
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

第一种方法valid_chain()负责通过检查每个块并验证哈希和检验链是否有效。

resolve_conflicts()是一种方法，它会检查我们所有的相邻节点，下载它们的链并使用上述方法验证它们。如果找到有效链，其长度大于我们的长度，我们将替换它。

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

@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", 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

此时，您可以根据需要使用其他计算机，并在网络上启动不同的节点。或使用同一台计算机上的不同端口启动进程。我在机器上的另一个端口上旋转了另一个节点，并将其注册到当前节点。因此，我有两个节点：http://localhost:5000和http://localhost:5001。