源代码链接：https://github.com/dvf/blockchain

大家好！这是本人踩在巨人的肩膀上，实现的第一个区块链小程序。在实现代码的过程中，我遇到了很多问题，不过，幸好都解决了。在这里，我会尽可能的将操作步骤写得更详细。接下来，让我们一起走进区块链吧！

一、初识区块链

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。

提到哈希表，当然离不开散列函数。哈希函数只是一个接收输入值的函数，并从该输入创建一个输入值以确定的输入值。对于任何x输入值，只要运行哈希函数，您将始终收到相同的y输出值。这样，每个输入都有一个确定的输出。

二、开发环境及工具

1、Python 3.6以上：下载安装教程请参考 https://www.cnblogs.com/Yanjy-OnlyOne/p/9764143.html

2、开发工具：本人喜欢用PyCharm，下载安装教程请参考如下链接

https://jingyan.baidu.com/article/636f38bb9d8e27d6b84610ba.html

（注意：请在PyCharm中安装好Flask以及Requests库）

3、HTTP客户端：比如 Postman，下载安装教程请参考https://www.cnblogs.com/xiaxiaoxu/p/8858437.html

三、开始创建区块链

在PyCharm中，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。

1、创建Blockchain类

首先，创建一个Blockchain类，在其构造函数中创建了两个空列表，一个用于储存区块链，一个用于储存交易。

在这里，Blockchain参数的作用是管理区块链，可以存储交易信息和添加区块。


class Blockchain(object):def __init__(self):self.chain = []self.current_transactions = []def new_block(self):# 创建一个新的区块，并将其加入到链中passdef new_transaction(self):# 向交易列表中添加一个新的交易pass@staticmethoddef hash(block):# Hashes a Block 散列块pass@propertydef last_block(self):# 返回区块链中最新的区块pass

在区块链中，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。如下所示：

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

由此可见，区块链的原理：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。更重要的是，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，导致哈希值变了，那么后面的所有区块的哈希值都会为之改变。

然后，我们可以在区块上，添加交易。那我们怎么在区块上添加交易呢？可以使用new_transaction()参数。如下所示：

class Blockchain(object):...def new_transaction(self, sender, recipient, amount):"""生成新交易信息，这个交易信息将加入到下一个待挖的区块中: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。除了在构造函数中创建创世区块，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 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):"""生成新块: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]),}# 重置当前交易列表self.current_transactions = []self.chain.append(block)return blockdef new_transaction(self, sender, recipient, amount):"""生成新交易信息，此交易信息将加入到下一个待挖的区块中: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@propertydef last_block(self):return self.chain[-1]@staticmethoddef hash(block):"""生成块的 SHA-256 hash值:param block: <dict> Block:return: <str>"""# 我们必须确保字典是有序的，否则我们会有不一致的哈希值block_string = json.dumps(block, sort_keys=True).encode()return hashlib.sha256(block_string).hexdigest()

接下来，我们来看看挖矿到底是如何进行的？在此之前，我们需要先理解工作量证明（PoW），因为新的区块需要工作量证明算法来构造。工作量证明的目的就是找出一个符合特定条件的数字，这个数字很难计算出来，但容易验证。这就是工作量证明的核心思想。

那么，为了方便大家理解，我们举个例子：

某个整数 x 乘以另外一个数 y ，所得结果的哈希值必须是以 0 结尾，即：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 sha256x = 5
y = 0
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) = 1253e9373e781b7500266caa55150e08e210bc8cd8cc70d89985e3600155e860

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，先找到正确数字的矿工就能够在每笔交易中获得比特币作为奖励。

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。代码如下：


import hashlib
import jsonfrom time import time
from uuid import uuid4class Blockchain(object):...def proof_of_work(self, last_proof):"""简单的工作量证明:- 查找一个 p' 使得 hash(pp') 以4个0开头- p 是上一个块的证明,  p' 是当前的证明:param last_proof: <int>:return: <int>"""proof = 0while self.valid_proof(last_proof, proof) is False:proof += 1return proof@staticmethoddef valid_proof(last_proof, proof):"""验证证明: 是否hash(last_proof, proof)以4个0开头?: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。

2、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。

接下来，我们来搭建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 uuid4from flask import Flaskclass Blockchain(object):...# 实例化我们的节点；加载 Flask 框架
app = Flask(__name__)# 为我们的节点创建一个随机名称
node_identifier = str(uuid4()).replace('-', '')# 实例化 Blockchain 类
blockchain = Blockchain()# 创建 /mine 端点，这是一个GET请求
@app.route('/mine', methods=['GET'])
def mine():return "We'll mine a new Block"# 创建 /transactions/new 端点，这是一个 POST 请求，我们将用它来发送数据
@app.route('/transactions/new', methods=['POST'])
def new_transaction():return "We'll add a new transaction"# 创建 /chain 端点，它是用来返回整个 Blockchain 类
@app.route('/chain', methods=['GET'])
def full_chain():response = {'chain': blockchain.chain,'length': len(blockchain.chain),}return jsonify(response), 200# 设置服务器运行端口为 5000
if __name__ == '__main__':app.run(host='0.0.0.0', port=5000)

然后，我们的交易是以什么形式发起请求的？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 uuid4from flask import Flask, jsonify, request...@app.route('/transactions/new', methods=['POST'])
def new_transaction():values = request.get_json()# 检查所需字段是否在过账数据中required = ['sender', 'recipient', 'amount']if not all(k in values for k in required):return 'Missing values', 400# 创建新交易index = blockchain.new_transaction(values['sender'], values['recipient'], values['amount'])response = {'message': f'Transaction will be added to Block {index}'}return jsonify(response), 201

然后，我们来理解以下挖矿节点是怎么回事？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：

1. 计算工作量证明；

2. 通过打包交易奖励矿工一个币；

3. 通过将新块添加到链中来伪造新块。

import hashlib
import jsonfrom time import time
from uuid import uuid4from flask import Flask, jsonify, request...@app.route('/mine', methods=['GET'])
def mine():# 我们运行工作证明算法来获得下一个证明last_block = blockchain.last_blocklast_proof = last_block['proof']proof = blockchain.proof_of_work(last_proof)# 由于找到了证据，我们会收到一份奖励# sender为“0”，表示此节点已挖掘了一个新货币blockchain.new_transaction(sender="0",recipient=node_identifier,amount=1,)# 将新块添加到链中打造新的区块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，这里的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。

3、实现与 Blockchain 类交互

接下来，我们用Postman 通过网络和刚才生成的 API 进行交互。

首先，启动服务器，也就是运行我们的blockchain.py文件。

然后，在Postman中，通过向以下地址发送请求，我们可以尝试一下挖矿。

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 。

请求中需要包含我们的交易结构。

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": 1556419069.1459346,"transactions": []},{"index": 2,"previous_hash": "2ec1df0d062b439bce88c4c7134ae901e38ec89551778c1d7e3f89214bc58f50","proof": 68862,"timestamp": 1556419347.283694,"transactions": [{"amount": 1,"recipient": "9f9769c7ebaa449289c4c53fcb2199ba","sender": "0"}]},{"index": 3,"previous_hash": "b910a925273a6059fde1bb2b3e85f36b78baba18cdfa03d189fb139592c10e88","proof": 109124,"timestamp": 1556419580.4322467,"transactions": [{"amount": 5,"recipient": "someone-other-address","sender": "d4ee26eee15148ee92c6cd394edd974e"},{"amount": 1,"recipient": "9f9769c7ebaa449289c4c53fcb2199ba","sender": "0"}]}],"length": 3
}

4、形成共识

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。

首先，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：

1. /nodes/register 接受URL形式的新节点列表。

2. /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):"""向节点列表添加新节点: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)

注意，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。

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 requestsclass Blockchain(object)...def valid_chain(self, chain):"""确认指定的区块链是否有效:param chain: <list> A blockchain:return: <bool> True if valid, False if not"""last_block = chain[0]current_index = 1while current_index < len(chain):block = chain[current_index]print(f'{last_block}')print(f'{block}')print("\n-----------\n")# 检查区块的哈希是否正确if block['previous_hash'] != self.hash(last_block):return False# 检查工作证明是否正确if not self.valid_proof(last_block['proof'], block['proof']):return Falselast_block = blockcurrent_index += 1return True# 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.# 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.def resolve_conflicts(self):"""这是我们的共识算法，它解决了冲突通过用网络中最长的链替换我们的链.:return: <bool> True if our chain was replaced, False if not"""neighbours = self.nodesnew_chain = None# 我们只找比我们的链更长的链max_length = len(self.chain)# 抓取并验证网络中所有节点的链for node in neighbours:response = requests.get(f'http://{node}/chain')if response.status_code == 200:length = response.json()['length']chain = response.json()['chain']# 检查链条长度是否更长，链条是否有效if length > max_length and self.valid_chain(chain):max_length = lengthnew_chain = chain# 如果我们发现新的有效链条比我们的链条长，请更换链条if new_chain:self.chain = new_chainreturn Truereturn False

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", 400for 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。

之后，我重新创建了另一个文件blockchain2.py。此文件与blockchain.py不同的是，端口号改为5001。如下所示：

接下来，我们运行这两个文件。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：

好了，你的第一个区块链程序就已经创建成功啦！

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