一步步写区块链

区块链是目前最火的技术，相信在未来会使用的越来越广泛。为了尽快掌握这门技术最好的方法就是自己动手写一个区块链。 现在我们使用python写一个自己的区块链。

环境准备

• python版本3.6或以上；
• 安装Flask、Requests库：sudo pip3 install Flask==0.12.2 requests==2.18.4
• 安装curl：sudo apt install curl

Step 1: 创建一个区块链

描述区块链

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:

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 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：

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。

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:

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。

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：

import hashlib
import json
from time import time

class 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。

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 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}')

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。

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"

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：

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（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 "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)

发送交易

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

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

挖矿正是神奇所在，它很简单，做了一下三件事：

• 计算工作量证明 PoW
• 通过新增一个交易授予矿工（自己）一个币

• 构造新区块并将其添加到链中

    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。

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

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

多节点运行

启动节点1：

 python3 blockchain.py --port 5000

启动节点2：

  python3 blockchain.py --port 5001

启动节点3：

  python3 blockchain.py --port 5002

挖矿

通过浏览器请求http://localhost:5000/mine（ GET ）来进行挖矿：

发送交易

使用Curl发送一个交易请求：

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

查看链块信息

通过请求 http://localhost:5000/chain 可以得到所有的块信息

Step 4: 一致性（共识）

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：

• /nodes/register 接收 URL 形式的新节点列表.

• /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：

...
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.

使用Curl注册节点，在节点1注册节点2、3，每个节点都要注册剩余节点：

curl -X POST -H "Content-Type: application/json" -d '{
 "nodes": ["127.0.0.1:5001"]}' "http://localhost:5000/nodes/register"

curl -X POST -H "Content-Type: application/json" -d '{
 "nodes": ["127.0.0.1:5002"]}' "http://localhost:5000/nodes/register"

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。

...
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("\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

        # 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：

@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：

在浏览器访问 127.0.0.1:5000/nodes/resolve

blockchain.py 源代码地址：https://github.com/wugsh/wgs/blob/master/myblockchain/myblockchain.py