使用 Python 一步步搭建自己的区块链 | Python优质外文翻译

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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：

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。

源码在哪儿？ 可以点击这里

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

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

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

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 new_block 区块（一个没有前导区块的区块）添加进去。我们还需要向我们的起源块添加一个 proof，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 new_block 区块外，我们还会补全 new_block() 、 new_transaction() 和 hash() 函数：

blockchain.py

上面的代码应该是非常简明的 — 我添加了一些注释和文档说明使代码清晰。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：

结果是：y = 21。因为，生成的 Hash 值结尾必须为 0。

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

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

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：

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

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

blockchain.py

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：

让我们通过请求 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 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：

在挖了两次矿之后，就有 3 个块了，通过请求 localhost:5000/chain 可以得到所有的块信息

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：

/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：

blockchain.py

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。

blockchain.py

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

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：