【程式設計師必看】如何用Python從0開始建立一個區塊鏈？
在數字貨幣盛行的檔口，比特幣，這幣那幣到底值不值得信賴呢？也許你像很多人一樣感到新奇，想接近它，但只因背後的區塊鏈技術，阻斷了向新領域嘗試的步伐。不過，對於程式設計師來說，想真正搞懂比特幣，搞懂區塊鏈，可不是難題，因為他們能邊玩邊學，通過一行行pyhton程式碼，就能真正理解數字貨幣的底層祕密。能用這麼有逼格的方式來學習區塊鏈的，也只有程式設計師了。
作者 | Daniel van Flymen 紐約區塊鏈工程師
譯者 | 熊麗兵 牛娃軟體CTO
準備工作
本文要求讀者對Python有基本的理解，能讀寫基本的Python，並且需要對HTTP請求有基本的瞭解。
我們知道區塊鏈是由區塊的記錄構成的不可變、有序的鏈結構，記錄可以是交易、檔案或任何你想要的資料，重要的是它們是通過雜湊值（hashes）連結起來的。
如果你還不是很瞭解雜湊，可以檢視這篇文章https://learncryptography.com/hash-functions/what-are-hash-functions
環境準備
環境準備，確保已經安裝Python3.6+, pip , Flask, requests
安裝方法：
pip install Flask==0.12.2 requests==2.18.4
同時還需要一個HTTP客戶端，比如Postman，cURL或其它客戶端。
參考原始碼（原始碼在我翻譯的時候，無法執行，我fork了一份，修復了其中的錯誤，並添加了翻譯，感謝star）
開始建立Blockchain
新建一個檔案 blockchain.py，本文所有的程式碼都寫在這一個檔案中，可以隨時參考原始碼。
Blockchain類
首先建立一個Blockchain類，在建構函式中建立了兩個列表，一個用於儲存區塊鏈，一個用於儲存交易。
以下是Blockchain類的框架：
classBlockchain(object):
def__init__(self):
self.chain = []
self
Blockchain類用來管理鏈條，它能儲存交易，加入新塊等，下面我們來進一步完善這些方法。
塊結構
每個區塊包含屬性：索引（index），Unix時間戳（timestamp），交易列表（transactions），工作量證明（稍後解釋）以及前一個區塊的Hash值。
以下是一個區塊的結構：
block = {
'index': 1,
'timestamp': 1506057125.900785,
'transactions': [
{
'sender': "8527147fe1f5426f9dd545de4b27ee00",
'recipient': "a77f5cdfa2934df3954a5c7c7da5df1f",
'amount': 5,
}
],
'proof': 324984774000,
'previous_hash': "2cf24dba5fb0a30e26e83b2ac5b9e29e1b161e5c1fa7425e73043362938b9824"
}
到這裡，區塊鏈的概念就清楚了，每個新的區塊都包含上一個區塊的Hash，這是關鍵的一點，它保障了區塊鏈不可變性。如果攻擊者破壞了前面的某個區塊，那麼後面所有區塊的Hash都會變得不正確。不理解的話，慢慢消化，可參考{% post_link whatbc 區塊鏈技術原理 %}
加入交易
接下來我們需要新增一個交易，來完善下new_transaction方法
classBlockchain(object):
...
defnew_transaction(self, sender, recipient, amount):
"""
生成新交易資訊，資訊將加入到下一個待挖的區塊中
: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
方法向列表中新增一個交易記錄，並返回該記錄將被新增到的區塊(下一個待挖掘的區塊)的索引，等下在使用者提交交易時會有用。
建立新塊
當Blockchain例項化後，我們需要構造一個創世塊（沒有前區塊的第一個區塊），並且給它加上一個工作量證明。
每個區塊都需要經過工作量證明，俗稱挖礦，稍後會繼續講解。
為了構造創世塊，我們還需要完善new_block(), new_transaction() 和hash() 方法：
import hashlib
import json
from time import time
classBlockchain(object):
def__init__(self):
self.current_transactions = []
self.chain = []
# Create the genesis block
self.new_block(previous_hash=1, proof=100)
defnew_block(self, proof, previous_hash=None):
"""
生成新塊
: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
defnew_transaction(self, sender, recipient, amount):
"""
生成新交易資訊，資訊將加入到下一個待挖的區塊中
: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
@property
deflast_block(self):
return self.chain[-1]
@staticmethod
defhash(block):
"""
生成塊的 SHA-256 hash值
: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()
通過上面的程式碼和註釋可以對區塊鏈有直觀的瞭解，接下來我們看看區塊是怎麼挖出來的。
理解工作量證明
新的區塊依賴工作量證明演算法（PoW）來構造。PoW的目標是找出一個符合特定條件的數字，這個數字很難計算出來，但容易驗證。這就是工作量證明的核心思想。
為了方便理解，舉個例子：
假設一個整數 x 乘以另一個整數 y 的積的 Hash 值必須以 0 結尾，即 hash(x * y) = ac23dc...0。設變數 x = 5，求 y 的值？
用Python實現如下：
from hashlib import sha256
x = 5
y = 0 # y未知
while sha256(f'{x*y}'.encode()).hexdigest()[-1] != "0":
y += 1
print(f'The solution is y = {y}')
結果是y=21. 因為：
hash(5 * 21) = 1253e9373e...5e3600155e860
在比特幣中，使用稱為Hashcash的工作量證明演算法，它和上面的問題很類似。礦工們為了爭奪建立區塊的權利而爭相計算結果。通常，計算難度與目標字串需要滿足的特定字元的數量成正比，礦工算出結果後，會獲得比特幣獎勵。
當然，在網路上非常容易驗證這個結果。
實現工作量證明
讓我們來實現一個相似PoW演算法，規則是：尋找一個數 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
classBlockchain(object):
...
defproof_of_work(self, last_proof):
"""
簡單的工作量證明:
- 查詢一個 p' 使得 hash(pp') 以4個0開頭
- p 是上一個塊的證明, p' 是當前的證明
:param last_proof: <int>
:return: <int>
"""
proof = 0
while self.valid_proof(last_proof, proof) is False:
proof += 1
return proof
@staticmethod
defvalid_proof(last_proof, proof):
"""
驗證證明: 是否hash(last_proof, proof)以4個0開頭?
: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"
衡量演算法複雜度的辦法是修改零開頭的個數。使用4個來用於演示，你會發現多一個零都會大大增加計算出結果所需的時間。
現在Blockchain類基本已經完成了，接下來使用HTTP requests來進行互動。
Blockchain作為API介面
我們將使用Python Flask框架，這是一個輕量Web應用框架，它方便將網路請求對映到 Python函式，現在我們來讓Blockchain執行在基於Flask web上。
我們將建立三個介面：
-
/transactions/new 建立一個交易並新增到區塊
-
/mine 告訴伺服器去挖掘新的區塊
-
/chain 返回整個區塊鏈
建立節點
我們的“Flask伺服器”將扮演區塊鏈網路中的一個節點。我們先新增一些框架程式碼：
import hashlib
import json
from textwrap import dedent
from time import time
from uuid import uuid4
from flask import Flask
classBlockchain(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'])
defmine():
return "We'll mine a new Block"
@app.route('/transactions/new', methods=['POST'])
defnew_transaction():
return "We'll add a new transaction"
@app.route('/chain', methods=['GET'])
deffull_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)
簡單的說明一下以上程式碼：
第15行: 建立一個節點.
第18行: 為節點建立一個隨機的名字.
第21行: 例項Blockchain類.
第24–26行: 建立/mine GET介面。
第28–30行: 建立/transactions/new POST介面,可以給介面傳送交易資料.
第32–38行: 建立 /chain 介面, 返回整個區塊鏈。
第40–41行: 服務執行在埠5000上.
傳送交易
傳送到節點的交易資料結構如下：
{
"sender": "my address",
"recipient": "someone else's address",
"amount": 5
}
之前已經有新增交易的方法，基於介面來新增交易就很簡單了
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'])
defnew_transaction