程序员们，只需三步，教你搭建一个区块链程序

区块链，大家或许都不陌生，或多或少都对它有一些了解。不过，这些了解可能都是支离破碎的。当问及其中一些概念是如何实现的，你可能就「蒙圈」了。那想了解其中的实现细节怎么办呢？

这篇文章可以手把手的教你搭建一个区块链程序，让你从技术层面，详细了解区块链的实现细节。我相信你把这篇文章的代码跑一遍，你会有一种「哦！原来是这么实现的」想法。下面，我们就来试试吧。

作者 | Daniel van Flymen

译者 | Aholiab、科科

你会点开这篇文章，说明你跟我一样，眼看加密货币价格的暴涨，很想弄清楚区块链到底是什么？背后有哪些技术。

不过，要完全理解区块链不是件容易的事，起码对我而言。为了搞懂区块链，我看过大量的视频、研究过各种教程和为数不多的几个案例，整个过程虐心之极。

所以，我决定在实践中学习。在实践中学习的一大好处是它能逼着你去理解区块链最底层的原理，并且容易让人坚持下去。如果你也想试试这个方法的话，建议你好好读完这篇文章，跟着步骤一步步地去操作。这样，你不仅可以亲自开发出一个功能完备的区块链，同时也搞清楚了区块链的机制到底是什么？

准备工作

在开始之前，我们需要做些准备工作，搞清楚一些问题。

什么是区块链？区块链是由不可变的、有顺序记录的区块组成。他们可以包含交易数据、文件数据或者其他你想要记录的数据。不过最重要的是这些区块通过哈希表链接在一起。

什么是散列？散列函数是一个输入值函数，从该输入创建一个确定输入值的输出值。更多解释可以点击下边这个链接：

https://learncryptography.com/hash-functions/what-are-hash-functions

这篇文章适合谁，首先Python程序员，你只要能轻松地读写一些基本的Python代码就可以了；第二是HTTP程序员，因为我们接下来讲到的区块链，是构建在HTTP上面的，这需要你起码要了解HTTP请求的工作原理。

我需要做什么？首先要确保安装了Python 3.6以上的环境和Flask，此外还需要安装一个碉堡的Requests库。版本信息如下：

 pip install Flask==0.12.2 requests==2.18.4

哦对了，你还需要一个HTTP客户端，比如 Postman 或者 cURL

在哪里下载完整代码，请猛戳：

https://github.com/dvf/blockchain。

下面跟着我一步一步来操作吧。

第一步：创建区块链

打开你常用的编辑器，我个人比较喜欢PyCharm。创建一个新的文件，命名为 blockchain.py。整个项目，我们都只会用到这一个文件。有不清楚的地方，可以参考源代码。

表示一个区块链

我们将创建一个 Blockchain 类，它的构造函数里创建了一个初始为空的列表（用于存储我们的区块链），和一个存储交易的列表。下边是这个类的代码：

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参数的作用是管理区块链，也用于存储交易信息和添加区块的方式。

区块到底长什么样？

每一个区块包含一个索引、一个时间戳、一个交易列表、一个证明（之后更多）和前一个区块的哈希值。

以下是一个区块的例子：

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

代码左滑可查看未显示部分（下同）

到这里，区块链的原理就很容易理解了：每一个区块包含它自己本身的一些变量，以及前一个区块的哈希值。这一点非常重要，因为哈希值保证了区块链不可篡改的特性。如果一个区块受到攻击哈希值变了，那么后面的所有区块的哈希值都会为之改变。

你可能想，我还是不太理解。没关系，先接着往下看。

在区块上添加交易

那么，我们怎么在区块上添加交易呢？可以使用new_transaction()参数。使用方法简单、直接，如下面代码所示：

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

在 new_transaction() 添加交易信息到列表中后，它会返回下一个将被开采区块的索引号，交易信息将被打包到这个区块上。这对稍后提交交易的用户有用。

创建新区块

在区块链创建完成后，我们需要创建一个创世区块（也就是区块链上的第一个区块）。当然，创世区块也需要被证明，这需要通过PoW的挖矿机制。后边我们会更多的介绍挖矿，这儿就不做过多的介绍了。

除了在构造函数中创建创始区块，我们还需要用new_block()、new_transaction() 和 hash()参数对其进行完善。代码如下：

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: <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):
 """
 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
 @property
 def last_block(self):
 return self.chain[-1]
 @staticmethod
 def hash(block):
 """
 Creates a SHA-256 hash of a Block
 :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()

为了方便大家理解，我在上面代码中加了一些注释。到这里，我们就已经对区块链属性有一个全面的了解了。不过我们还是要知道，区块链是怎么创建、怎么开发，以及跟矿工有什么关系。

关于工作量证明(PoW）

工作证明算法（PoW）的作用，是对区块链上创建或开发新的区块的证明。其背后的核心是：找到一串解决某个数学问题的数字，这个数字必须符合两个条件：第一，难找；第二，很容易被验证（而且是很容易被任何人验证）。

我们来举个非常简单的例子来帮助大家理解。

我们来看一下这个例子，某个整数 x 乘以另外一个数 y ，得到的结果的哈希值必须是以 0 结尾。可以简单表示为：hash(x * y) = ac23dc…0。所以，我们的目标是找到满足这个条件的一个 y 值。为了方便理解，我们暂定x=5。下面我们就用Python来做这样一个运算：

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}')

最终，计算结果是 y=21。因此，生成的以 0 结尾的哈希值是：

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

在比特币中，PoW算法被称为Hashcash，原理跟上面例子差不多。矿工们为了能创建一个新区块，铆足劲儿做着上面的数学题（只有胜出者才能添加区块）。一般而言，证明的难度取决于字符串中搜索的字符数量，先找到正确数字的旷工就能够在每笔交易中获得比特币作为奖励。

系统能够很容易验证他们的解决方案。

实现基本的工作量证明

下面在我们刚刚创建好的区块链上，来实现一个相似的工作量证明算法。规则与上边那个简单的例子相似：

找到一个数字 p ，它和前边一个区块的解决数字进行散列，生成前4位为 0 的哈希值。

下面是具体的Python代码实现：

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: <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):
 """
 Validates the Proof: Does hash(last_proof, proof) contain 4 leading zeroes?
 :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"

我们可以通过修改哈希值前 0 的数量，来调整算法的难度，一般来说，4位已经是足够了。每在哈希值前多加一个0，计算所花费的时间将呈指数倍增加。

到这儿，我们的类基本写好了。下面，我们准备通过 HTTP 请求与其交互。

第二步：创建 API

我们打算使用 Python 的 Flask 框架，它是一个轻型框架，可以很容易实现端点到Python函数的映射。这样，我们就可以使用 HTTP 请求通过网页访问我们的区块链了。

我们用以下三个方法创建：

/transactions/new 为一个区块创建一个新的交易；

/mine 告诉我们的服务器开采一个新的区块；

/chain 返回完整的 Blockchain 类。

搭建 Flask 框架

我们的服务器会在区块链网络中形成单个节点。下面来创建一些样板代码：

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)

我们来简单的解释一下上边的代码：

第15行：实例化我们的节点；加载 Flask 框架。

第18行：为我们的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，我们将用它来发送数据。
第32-38行：创建 /chain 端点，它是用来返回整个 Blockchain 类。
第40-41行：设置服务器运行端口为 5000。

交易节点

交易的请求是什么形式呢？下面我们看看用户发送到服务器的一段请求代码：

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

因为我们已经写好了将交易打包到区块上的代码，剩下的部分就简单了。只需要调用这个方法，从而实现添加交易的功能。下面是具体代码实现：

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

挖矿节点

挖矿节点是整个过程中最有趣的部分，它必须要达到三个目的：

计算工作量证明；
通过打包交易奖励矿工一个币；
通过将新块添加到链中来伪造新块。

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

这儿要注意一下，开采区块的接收者是我们节点的地址。在这里完成的大部分工作只是与Blockchain类中的方法进行交互。下面可以开始与我们的区块链交互啦。

第三步：实现与 Blockchain 类交互

你可以使用普通的 cURL 或者 Postman 通过网络和刚才生成的 API 进行交互。

启动服务器：

$ python blockchain.py
* Running on http://127.0.0.1:5000/ (Press CTRL+C to quit)

通过向以下地址发送请求，我们可以尝试一下挖矿。

http://localhost:5000/mine

使用 Postman 发送 GET 请求

下面我们通过向下面链接发送post请求，来创建一个新的交易：

http://localhost:5000/transactions/new 。

请求中要包含我们的交易结构。

使用 Postman 发送一个 POST 请求

如果你用的是cURL，则可以通过下面代码来实现。

$ curl -X POST -H "Content-Type: application/json" -d '{
 "sender": "d4ee26eee15148ee92c6cd394edd974e",
 "recipient": "someone-other-address",
 "amount": 5
}' "http://localhost:5000/transactions/new"

完成上面步骤之后，需要重启下服务器。这时候，我挖出了2个区块，获得了3个币的奖励。这里，我们还可以像以下地址发送请求，来对整条链进行检查。

{
 "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
}

第四步：形成共识

终于写到共识了，共识机制是我认为区块链中最有意思的部分。在上面的步骤中，我们已经创建完成了一个简单的区块链，并且能够实现交易、挖矿等基本功能。不过，区块链上的节点应该是分散的。如果它们是分散的，我们究竟如何确保它们记录的都是同一条链？这就叫共识问题。如果我们的网络中需要多个节点，我们必须实现共识算法。

注册新节点

在我们实现共识算法之前，需要解决一个问题：在同一个网络上，让其中一个节点知道它的相邻节点有哪些。每一个节点需要网络上的其他节点进行注册。因此，我们将需要更多的节点：

/nodes/register 接受URL形式的新节点列表。
/nodes/resolve 实现我们的共识算法，它可以解决任何争议，保证节点具有正确的链。

下面，我们需要修改Blockchain类的结构，以及找到注册节点实现的方法。

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

这儿需要注意一下，set（）函数用来保存节点列表。它是确保添加的新节点具有幂等性的方法，意思是无论我们使用这个方法添加特定节点多少次，它都只会出现一次。

实现共识算法

先前提到的，当某个节点与另一个节点的记录不一致时，会「打架」。为了解决这个冲突，我们需要制定一个规则，即最长而有效的链是最有权威性的。换句话说，网络上最长的链就是事实。使用这个算法，我们就可以在我们的网络上达成共识。

...
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("
-----------
")
 # 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: <bool> 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

其中，valid_chain() 方法是负责校验这一条链是否是有效的，怎么校验呢？遍历每一个区块，验证它们的哈希值和工作量证明。

resolve_conflicts() 是遍历我们所有相邻节点的方法，会下载它们的链，然后使用上述方法去验证它们。如果找到一个有效的链，其长度大于我们的链，就将我们的链条替换为该链。

下面我们在API中，注册两个节点，一个用于添加相邻节点，另一个用于解决冲突：

@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，你可以使用不同机器（或使用同一台机器的不同端口）启动不同的节点。我是使用的同一台机器，在另外一个端口上创建了另一个节点，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。