搭建自己的区块链（教你使用Python从零开始搭建一个区块链项目）

作者 Daniel van Flymen

　　

来源 Python学习开发

　　

你是否会和我一样，对加密数字货币底层的区块链技术非常感兴趣，特别想了解他们的运行机制。

但是学习区块链技术并非一帆风顺，我看多了大量的视频教程还有各种课程，最终的感觉就是真正可用的实战课程太少。

我喜欢在实践中学习，尤其喜欢以代码为基础去了解整个工作机制。如果你我一样喜欢这种学习方式，当你学完本教程时，你将会知道区块链技术是如何工作的。

写在开始之前

记住，区块链是一个 不可变的、有序的 被称为块的记录链。它们可以包含交易、文件或任何您喜欢的数据。但重要的是，他们用哈希 一起被链接在一起。

如果你不熟悉哈希，这里是一个解释。

该指南的目的是什么？ 你可以舒服地阅读和编写基础的 Python，因为我们将通过 HTTP 与区块链进行讨论，所以你也要了解 HTTP 的工作原理。

我需要准备什么？ 确定安装了 Python 3。6+ (还有 pip) ，你还需要安装 Flask、 Requests 库！

`pip install Flask==0。12。2 requests==2。18。4`

对了，你还需要一个支持 HTTP 的客户端，比如 Postman 或者 cURL，其他也可以。

Step 1！ 创建一个区块链

打开你最喜欢的文本编辑器或者 IDE， 我个人比较喜欢 PyCharm。 新建一个名为 blockchain。py 的文件。我们将只用这一个文件就可以。但是如果你还是不太清楚，你也可以参考 源码。

描述区块链

我们要创建一个 Blockchain 类 ，他的构造函数创建了一个初始化的空列表（要存储我们的区块链），并且另一个存储交易。下面是我们这个类的实例！

blockchain。py

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

我们的 Blockchain 类负责管理链式数据，它会存储交易并且还有添加新的区块到链式数据的 Method。让我们开始扩充更多 Method

块是什么样的？

每个块都有一个 索引，一个 时间戳（Unix时间戳），一个事务列表， 一个 校验 (稍后详述) 和 前一个块的散列 。

下面是一个 Block 的例子 ：

blockchain。py

block = { index！ 1， timestamp！ 1506057125。900785， transactions！ [ { sender！ "8527147fe1f5426f9dd545de4b27ee00"， recipient！ "a77f5cdfa2934df3954a5c7c7da5df1f"， amount！ 5， } ]， proof！ 324984774000， previous_hash！ "2cf24dba5fb0a30e26e83b2ac5b9e29e1b161e5c1fa7425e73043362938b9824"}

在这一点上，一个 区块链 的概念应该是明显的 - 每个新块都包含在其内的前一个块的 散列 。这是至关重要的，因为这是 区块链 不可改变的原因：如果攻击者损坏 区块链 中较早的块，则所有后续块将包含不正确的哈希值。

这有道理吗？如果你还没有想通，花点时间仔细思考一下 - 这是区块链背后的核心理念

添加交易到区块

我们将需要一个添加交易到区块的方式。我们的 new_transaction() 方法的责任就是这个， 并且它非常的简单！

blockchain。py

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() 方法添加了交易到列表，它返回了交易将被添加到的区块的索引 --- 讲开采下一个这对稍后对提交交易的用户有用。

创建新的区块

当我们的 Blockchain 被实例化后，我们需要将 创世 区块（一个没有前导区块的区块）添加进去进去。我们还需要向我们的起源块添加一个 证明，这是挖矿的结果 (或工作证明)。我们稍后会详细讨论挖矿。

除了在构造函数中创建 创世 区块外，我们还会补全 new_block() 、 new_transaction() 和 hash() 函数：

blockchain。py

import hashlibimport jsonfrom time import timeclass Blockchain(object)！ def __init__(self)！ self。current_transactions = [] self。chain = [] # 创建创世区块 self。new_block(previous_hash=1， proof=100) def new_block(self， proof， previous_hash=None)！ """ 创建一个新的区块到区块链中 ！param proof！ <；int>； 由工作证明算法生成的证明 ！param previous_hash！ (Optional) <；str>； 前一个区块的 hash 值 ！return！ <；dict>； 新区块 """ block = { index！ len(self。chain) + 1， timestamp！ time()， transactions！ self。current_transactions， proof！ proof， previous_hash！ previous_hash or self。hash(self。chain[-1])， } # 重置当前交易记录 self。current_transactions = [] self。chain。append(block) return block def new_transaction(self， sender， recipient， amount)！ """ 创建一笔新的交易到下一个被挖掘的区块中 ！param sender！ <；str>； 发送人的地址 ！param recipient！ <；str>； 接收人的地址 ！param amount！ <；int>； 金额 ！return！ <；int>； 持有本次交易的区块索引 """ 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)！ """ 给一个区块生成 SHA-256 值 ！param block！ <；dict>； Block ！return！ <；str>； """ # 我们必须确保这个字典（区块）是经过排序的，否则我们将会得到不一致的散列 block_string = json。dumps(block， sort_keys=True)。encode() return hashlib。sha256(block_string)。hexdigest()

上面的代码应该是直白的 --- 为了让代码清晰，我添加了一些注释和文档说明。我们差不多完成了我们的区块链。但在这个时候你一定很疑惑新的块是怎么被创建、锻造或挖掘的。

工作量证明算法

使用工作量证明（PoW）算法，来证明是如何在区块链上创建或挖掘新的区块。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。这是工作证明背后的核心思想。

我们将看到一个简单的例子帮助你理解：

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 ？用 Python 实现：

from hashlib import sha256x = 5y = 0 # We dont know what y should be yet。。。while sha256(f{x*y}。encode())。hexdigest()[-1] ！= "0"！ y += 1print(fThe solution is y = {y})

结果是：y = 21。因为，生成的 Hash 值结尾必须为 0。

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）。

验证结果，当然非常容易。

实现工作量证明

让我们来实现一个相似 PoW 算法。规则类似上面的例子：

找到一个数字 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。

　　

blockchain。py

import hashlibimport jsonfrom time import timefrom uuid import uuid4class 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"

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。

Step 2！ 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：

blockchain。py

import hashlibimport jsonfrom textwrap import dedentfrom time import timefrom uuid import uuid4from flask import Flaskclass Blockchain(object)！ 。。。# Instantiate our Node（实例化我们的节点）app = Flask(__name__)# Generate a globally unique address for this node（为这个节点生成一个全球唯一的地址）node_identifier = str(uuid4())。replace(-， )# Instantiate the Blockchain（实例化 Blockchain类）blockchain = Blockchain()@app。route(/mine， methods=[GET])def mine()！ return "Well mine a new Block"@app。route(/transactions/new， methods=[POST])def new_transaction()！ return "Well add a new transaction"@app。route(/chain， methods=[GET])def full_chain()！ response = { chain！ blockchain。chain， length！ len(blockchain。chain)， } return jsonify(response)， 200if __name__ == __main__！ app。run(host=0。0。0。0， port=5000)

简单的说明一下以上代码：

• 第 15 行：实例化节点。阅读更多关于 Flask 内容。
• 第 18 行：为节点创建一个随机的名称。。
• 第 21 行：实例化 Blockchain 类。
• 第 24--26 行：创建 /mine 接口，GET 方式请求。
• 第 28--30 行：创建 /transactions/new 接口，POST 方式请求，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：服务器运行端口 5000 。

发送交易

发送到节点的交易数据结构如下：

{ "sender"！ "my address"， "recipient"！ "someone elses address"， "amount"！ 5}

因为我们已经有了添加交易的方法，所以基于接口来添加交易就很简单了。让我们为添加事务写函数！

blockchain。py

import hashlibimport jsonfrom textwrap import dedentfrom time import timefrom uuid import uuid4from 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 POSTed 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！ fTransaction will be added to Block {index}} return jsonify(response)， 201

挖矿

挖矿正是神奇所在，它很简单，做了一下三件事：

1. 计算工作量证明 PoW
2. 通过新增一个交易授予矿工（自己）一个币
3. 构造新区块并将其添加到链中

blockchain。py

import hashlibimport jsonfrom time import timefrom uuid import uuid4from 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。

Step 3！ 运行区块链

你可以使用 cURL 或 Postman 去和 API 进行交互

启动 Server：

$ python blockchain。py* Running on http！//127。0。0。1！5000/ (Press CTRL+C to quit)

让我们通过请求 http！//localhost！5000/mine （ GET ）来进行挖矿：

用 Postman 发起一个 GET 请求。

创建一个交易请求，请求 http！//localhost！5000/transactions/new （POST）， 如图

如果不是使用 Postman，则用一下的 cURL 语句也是一样的：

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

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

{ "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}

Step 4！ 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：

1. /nodes/register 接收 URL 形式的新节点列表。
2. /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：

blockchain。py

。。。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)

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

就像先前讲的那样，当一个节点与另一个节点有不同的链时，就会产生冲突。为了解决这个问题，我们将制定最长的有效链条是最权威的规则。换句话说就是：在这个网络里最长的链就是最权威的。我们将使用这个算法，在网络中的节点之间达成共识。比特币新闻

blockchain。py

。。。import requestsclass 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("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！ <；bool>； True if our chain was replaced， False if not """ neighbours = self。nodes new_chain = None # Were 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(fhttp！//{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

第一个方法 valid_chain() 负责检查一个链是否有效，方法是遍历每个块并验证散列和证明。

resolve_conflicts() 是一个遍历我们所有邻居节点的方法，下载它们的链并使用上面的方法验证它们。如果找到一个长度大于我们的有效链条，我们就取代我们的链条。

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

blockchain。py

@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

在这一点上，如果你喜欢，你可以使用一台不同的机器，并在你的网络上启动不同的节点。或者使用同一台机器上的不同端口启动进程。我在我的机器上，不同的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。注册一个新节点：

然后我在节点 2 上挖掘了一些新的块，以确保链条更长。之后，我在节点 1 上调用 GET /nodes/resolve，其中链由一致性算法取代：

这是一个包，去找一些朋友一起，以帮助测试你的区块链。

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。

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