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；
- /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。
注册一个新的节点
然后，我在第二个节点上挖出了一些新的区块，以确保第二个节点的链条比第一个节点的链条更长。 之后，我在第一个节点上调用 GET / nodes / resolve，使其中链通过共识算法被第二个节点的链条取代：
在工作的共识算法
好啦，你已经成功创建好了一个区块链程序，快去叫上你的朋友们来测试一下吧！
