用 Python 撸一个区块链

本文翻译自 Daniel van Flymen 的文章 Learn Blockchains by Building One

略有删改。原文地址：https://hackernoon.com/learn-blockchains-by-building-one-117428612f46

相信你和我一样对数字货币的崛起感到新奇，并且想知道其背后的技术——区块链是怎样实现的。

但是理解区块链并非易事，至少对于我来说是如此。晦涩难懂的视频、漏洞百出的教程以及示例的匮乏令我倍受挫折。

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。如果你也这样做，那么读完本文，你将获得一个可用的区块链以及对区块链的深刻理解。

开始之前...

首先你需要知道区块链是由被称为区块的记录构成的不可变的、有序的链式结构，这些记录可以是交易、文件或任何你想要的数据，最重要的是它们是通过 Hash 连接起来的。

如果你不了解 Hash，这里有个例子 https://learncryptography.com/hash-functions/what-are-hash-functions

其次，你需要安装 Python3.6+，Flask，Request

pip install Flask==0.12.2 requests==2.18.4

同时你还需要一个 HTTP 客户端，比如 Postman，cURL 或任何其它客户端。

最终的源代码在这里：https://github.com/dvf/blockchain

第一步： 打造一个 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。首先创建一个 Blockchain 类，在构造函数中我们创建了两个列表，一个用于储存区块链，一个用于储存交易。

 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

一个区块有五个基本属性：index，timestamp（in Unix time），transaction 列表，工作量证明（稍后解释）以及前一个区块的 Hash 值。

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

到这里，区块链的概念应该比较清楚了：每个新的区块都会包含上一个区块的 Hash 值。这一点非常关键，它是区块链不可变性的根本保障。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？慢慢消化~

我们需要一个向区块添加交易的方法：

 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

new_transaction() 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，稍后在用户提交交易时会有用。

当 Blockchain 实例化后，我们需要创建一个初始的区块（创世块），并且给它预设一个工作量证明。

除了添加创世块的代码，我们还需要补充 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):
         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):
         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):
         block_string = json.dumps(block, sort_keys=True).encode()
         return hashlib.sha256(block_string).hexdigest()

上面的代码应该很直观，我们基本上有了区块链的雏形。但此时你肯定很想知道一个区块究竟是怎样被创建或挖掘出来的。

新的区块来自工作量证明（PoW）算法。PoW 的目标是计算出一个符合特定条件的数字，这个数字对于所有人而言必须在计算上非常困难，但易于验证。这就是工作量证明的核心思想。

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 x = 5，求 y？

 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] != "":
     y += 1
 print(f'The solution is y = {y}')

结果是 y = 21 // hash(5 * 21) = 1253e9373e...5e3600155e860

在比特币中，工作量证明算法被称为 Hashcash，它和上面的问题很相似，只不过计算难度非常大。这就是矿工们为了争夺创建区块的权利而争相计算的问题。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，就会获得一定数量的比特币奖励（通过交易）。

网络要验证结果，当然非常容易。

让我们来实现一个 PoW 算法，和上面的例子非常相似，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。

 import hashlib
 import json
 from time import time
 from uuid import uuid4

 class Blockchain(object):
     ...

     def proof_of_work(self, last_proof):
         proof = 0
         while self.valid_proof(last_proof, proof) is False:
             proof += 1

         return proof

     @staticmethod
     def valid_proof(last_proof, proof):
         guess = f'{last_proof}{proof}'.encode()
         guess_hash = hashlib.sha256(guess).hexdigest()
         return guess_hash[:4] == ""

衡量算法复杂度的办法是修改零的个数。4 个零足够用于演示了，你会发现哪怕多一个零都会大大增加计算出结果所需的时间。

我们的 Blockchain 基本已经完成了，接下来我们将使用 HTTP requests 来与之交互。

第二步：作为 API 的 Blockchain

我们将使用 Flask 框架，它十分轻量并且很容易将网络请求映射到 Python 函数。

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

我们的服务器将扮演区块链网络中的一个节点。我们先添加一些常规代码：

 import hashlib
 import json
 from textwrap import dedent
 from time import time
 from uuid import uuid4
 from flask import Flask, jsonify, request

 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)

这是用户发起交易时发送到服务器的请求：

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

我们已经有了向区块添加交易的方法，因此剩下的部分就很简单了：

 @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

挖掘端正是奇迹发生的地方，它只做三件事：计算 PoW；通过新增一个交易授予矿工一定数量的比特币；构造新的区块并将其添加到区块链中。

 @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="",
         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

需注意交易的接收者是我们自己的服务器节点，目前我们做的大部分事情都只是围绕 Blockchain 类进行交互。到此，我们的区块链就算完成了。

第三步：交互演示

使用 Postman 演示，略。

第四步：一致性

这真的很棒，我们已经有了一个基本的区块链可以添加交易和挖矿。但是，整个区块链系统必须是分布式的。既然是分布式的，那么我们究竟拿什么保证所有节点运行在同一条链上呢？这就是一致性问题，我们要想在网络中添加新的节点，就必须实现保证一致性的算法。

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。让我们新增几个接口：

1. /nodes/register 接收以 URL 的形式表示的新节点的列表

2. /nodes/resolve 用于执行一致性算法，用于解决任何冲突，确保节点拥有正确的链

 ...
 from urllib.parse import urlparse
 ...

 class Blockchain(object):
     def __init__(self):
         ...
         self.nodes = set()
         ...

     def register_node(self, address):
         parsed_url = urlparse(address)
         self.nodes.add(parsed_url.netloc)

注意到我们用 set 来储存节点，这是一种避免重复添加节点的简便方法。

前面提到的冲突是指不同的节点拥有的链存在差异，要解决这个问题，我们规定最长的合规的链就是最有效的链，换句话说，只有最长且合规的链才是实际存在的链。

让我们再添加两个方法，一个用于添加相邻节点，另一个用于解决冲突。

 ...
 import requests

 class Blockchain(object)
     ...

     def valid_chain(self, chain):
         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):
         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

现在你可以新开一台机器，或者在本机上开启不同的网络接口来模拟多节点的网络，或者邀请一些朋友一起来测试你的区块链。

我希望本文能激励你创造更多新东西。我之所以对数字货币入迷，是因为我相信区块链会很快改变我们看待事物的方式，包括经济、政府、档案管理等。

译者补充参考：比特币是什么