2018年的門剛開啟，區塊鏈的火就燒成了火焰山。徐小平放言要擁抱區塊鏈，朋友圈刷屏不止，連上班地鐵上都能聽到區塊鏈，一夜起，區塊鏈成了茶前飯後的談資。於是乎，那個經常聽到的問題又開始抓耳撓腮：區塊鏈到底是什麼鬼？關注的訂閱號不停推送“一篇文章讓你搞懂區塊鏈”，“三分鐘Get區塊鏈”等不盡相同的內容，聲音從四面八方聚焦到你耳邊。

萬雲也在思考能為想了解區塊鏈的老鐵們做點什麼，鑑於已有如此多區塊鏈概念普及文，此次我們不聊枯燥的概念，而是迴歸區塊鏈“技術”，一步步認真教你獲得一個屬於自己區塊鏈。放心，只要你稍微懂一點技術，你就可以實現並擁有它。

|| 以下翻譯自Daniel van Flymen的《Learn Blockchains by Building One》，有所刪改。
|| 原文地址：

https://hackernoon.com/learn-...

前言

概念瞭解：在開始前你需要知道，區塊鏈是一種按時間將資料區塊以順序相連的方式組合在一起的鏈式資料結構，並通過密碼學來保證其不可篡改和不可偽造的分散式賬本。這些區塊可以包含交易、檔案以及任何你想要的資料，重要的是它們通過雜湊連結在一起。
目標讀者：可以輕鬆地閱讀和編寫一些基本的Python，並且對HTTP有一些瞭解。
所需工具：Python 3.6+、Flask、Requests：
pip install Flask==0.12.2 requests==2.18.4 
除此之外還需安裝HTTP工具，如Postman、cURL。
原始碼地址：https://github.com/dvf/blockc...

第一步：建立區塊鏈
①實現一個Blockchain類
開啟一個你常用的文字編輯器或者IDE，新建一個blockchain.py的python檔案，並建立一個Blockchain類，在建構函式中建立兩個空的佇列，一個用於儲存區塊鏈，另一個用於儲存交易。下面是Blockchain類的模板程式碼：

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

我們所建立的Blockchain類將用來管理鏈，它會儲存交易，並且提供一些方法來幫助新增新的區塊到鏈。下面是詳細的實現方法。

每個區塊所包含5個基本屬性：index，timestamp (in Unix time)，交易列表，工作量證明和前一個區塊的雜湊值。我們來看一個例子：

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

到這裡，我們對於鏈的概念應該比較清楚了，每個新的區塊都會包含上一個區塊的雜湊值，從而讓區塊鏈具有不可篡改的特性。如果攻擊者攻擊了鏈中比較靠前的區塊，則所有後面的區塊將包含不正確的雜湊值。如果不能理解，慢慢消化——這是理解區塊鏈技術的核心思想。

②將交易新增到區塊

接下來我們實現一個將交易新增到區塊的方法，繼續看程式碼：

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（）方法中向列表中新增一筆交易之後，它返回值是本次交易的index，該index會被新增到下一個待挖掘區塊，後面在使用者提交交易時也會用到。

③建一個新的區塊

當Blockchain被例項化後，我們需要建立一個創世區塊，同時為我們的創世區塊新增一個工作量證明，這是挖礦的結果，我們稍後會詳細討論挖礦。

除了建立創世區塊的程式碼，我們還需要補充new_block（），new_transaction（）和hash（）的方法：

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()

到此，我們的區塊鏈已經基本上實現了雛形。這時候，你肯定想知道新區塊是怎麼被挖出來的，也就是我們通常所說的“挖礦”。

④什麼是工作量證明？

想了解什麼是“挖礦”，就必須理解工作量證明（POW）是什麼。區塊鏈上每一個新的區塊都來自於工作量證明（POW），POW的目標是計算出一串解決問題的數字，這個結果眾所周知是很難計算的，但卻十分容易驗證，因為網路上的任何人都能夠驗證這個結果，這是“工作量證明”背後的核心思想。

我們來看一個非常簡單的例子幫助理解：

假設整數X乘以另一個整數y的雜湊值必須以0結尾，hash(x * y) = ac23dc...0. 設x = 5.求y。我們用Python來實現：

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}')

得到的答案是當y = 21，雜湊值的結尾為0：
hash(5 * 21) = 1253e9373e...5e3600155e860

在比特幣中，工作證明演算法被稱為Hashcash，這和我們上面所舉的例子差不多，結果難於發現卻易於校驗。Hashcash是礦工為了建立一個新區塊而爭相計算的問題，計算難度通常取決於字串中搜索的字元數，通常也會花費一定的時間才能計算得到，最終計算出來的礦工們會通過交易獲得一定數量的比特幣作為獎勵。

⑤實現一個基本的工作量證明

首先我們為Blockchain類實現一個類似的演算法：

規則：找到一個數字p，使得它與前一個區塊的 proof 拼接成的字串的 Hash 值以 4 個零開頭。

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"
    

通過修改前導零的數量，可以調整演算法的難度，但是4個零完全足夠了。你會發現，每當增加一個前導零，找到一個對應的解決方案與所需的時間之間會產生巨大的差異。

進行到這裡，我們的Blockchain類已經基本完成，接下來我們實現HTTP服務進行互動。

第二步：區塊鏈API
我們將使用Python Flask框架，Flask是一個輕量級的Web應用框架，這使我們可以通過web服務來呼叫Blockchian類。

①建立三個API：

•/ transactions / new為區塊建立一個新的交易

•/mine告訴我們的伺服器開採新的區塊。

•/chain返回整個區塊鏈。

②使用Flask

我們的“伺服器”將基於Flask框架來實現區塊鏈網路中的一個節點。 我們來新增一些模板程式碼：

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)

以下是對上面新增的內容的進行簡要說明：

 Line15：例項化Flask web服務節點。

 Line18：為我們的服務節點建立一個隨機的名稱。

 Line21：例項化Blockchain類。

 Line24-26：建立一個路由為/mine的GET請求的，呼叫後端Blockchain的new block方法。

 Line28-30：建立一個路由為/transactions/new的POST請求，將資料傳送給後端Blockchina的new transaction方法。

 Line32-38：建立一個路由為/chain的GET請求，將返回整個鏈。

 Line40-41：在埠5000上執行伺服器。
 

③實現交易

下面是使用者發起交易時傳送到伺服器的請求：

{
 "sender": "my address",
 "recipient": "someone else's address",
 "amount": 5
}

由於我們已經有了將交易新增到區塊的方法，接下去就十分容易了。

下面我們來實現新增交易的函式：

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
    

④實現挖礦

我們的挖礦方法是魔法發生的地方。它十分容易，只做三件事情：計算工作量證明；通過新增一筆交易獎勵礦工一定數量的比特幣；建立新的區塊並將其新增到鏈中來。

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
    

需要注意的是，開採塊的交易接收者是我們自己伺服器節點的地址，我們在這裡所做的大部分工作只是與Blockchain類進行互動，基於以上我們區塊鏈已經完成了，接下來開始互動演示。

第三步：互動演示
您可以使用cURL或Postman與API進行互動。

啟動伺服器：

$ python blockchain.py
* Running on http://127.0.0.1:5000/ (Press CTRL+C to quit)

嘗試通過向http：// localhost：5000 / mine發出GET請求來挖掘區塊：

建立一個新的交易，向http://localhost:5000/transactions/new發出一個POST請求：

也可以使用cURL傳送請求：

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

以上僅為互動演示的示例，你可以在你自己所完成的區塊鏈上進行更多嘗試。

第四步：共識機制
我們有一個基本的區塊鏈可以進行交易和挖礦，但其實區塊鏈更重要的意義在於它們是分散式的。那麼我們需要確保所有的節點都執行在同一條鏈上，這就是迴歸到了共識問題，如果要滿足在網路上有多個節點並且不斷增加，我們必須要實現共識演算法。

①註冊新的節點

在實現共識演算法之前，需要找到一種方式讓網路上的節點知道其相鄰的節點，每個節點都需要儲存網路上其他節點的記錄。因此，我們需要新增幾個方法來幫助實現：

1./nodes/register接受URL形式的新節點列表。

1. / nodes / resolve來執行我們的共識演算法，它可以解決任何衝突，確保節點具有正確的鏈。

　下面我們將修改Blockchain的建構函式以提供註冊節點的方法：

...
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)
        

注意，我們使用set()集合來儲存節點列表，這是確保新節點的新增是冪等的簡便方法，這意味著無論我們新增特定節點多少次，它都只會出現一次。

②實現共識演算法

如前所述，當一個節點與另一個節點有不同時會發生衝突，為了解決這個問題，我們遵循取最長鏈原則，通過使用此演算法，讓網路中的節點間達成共識。

...
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
        

valid_chain（）負責檢查一個鏈是否有效，具體方法是迴圈讀取每個區塊並驗證雜湊和證明。

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