相信你和我一樣對數(shù)字貨幣的崛起感到新奇，并且想知道其背后的技術(shù)——區(qū)塊鏈?zhǔn)窃鯓訉?shí)現(xiàn)的。

　　但是理解區(qū)塊鏈并非易事，至少對于我來說是如此。晦澀難懂的視頻、漏洞百出的教程以及示例的匱乏令我倍受挫折。

　　我喜歡在實(shí)踐中學(xué)習(xí)，通過寫代碼來學(xué)習(xí)技術(shù)會掌握得更牢固。如果你也這樣做，那么讀完本文，你將獲得一個(gè)可用的區(qū)塊鏈以及對區(qū)塊鏈的深刻理解。

　　開始之前...

　　首先你需要知道區(qū)塊鏈?zhǔn)怯杀环Q為區(qū)塊的記錄構(gòu)成的不可變的、有序的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，這些記錄可以是交易、文件或任何你想要的數(shù)據(jù)，最重要的是它們是通過 Hash 連接起來的。

　　如果你不了解 Hash，這里有個(gè)例子

　　其次，你需要安裝 Python3.6+，F(xiàn)lask，Request

　　pip installFlask==0.12.2requests==2.18.4

　　同時(shí)你還需要一個(gè) HTTP 客戶端，比如 Postman，cURL 或任何其它客戶端。

　　最終的源代碼在這里：

　　第一步： 打造一個(gè) Blockchain

　　新建一個(gè)文件 blockchain.py，本文所有的代碼都寫在這一個(gè)文件中。首先創(chuàng)建一個(gè) Blockchain 類，在構(gòu)造函數(shù)中我們創(chuàng)建了兩個(gè)列表，一個(gè)用于儲存區(qū)塊鏈，一個(gè)用于儲存交易。

　　classBlockchain(object):

　　def__init__(self):

　　self.chain=[]

　　self.current_transactions=[]

　　defnew_block(self):

　　# Creates a new Block and adds it to the chain

　　pass

　　defnew_transaction(self):

　　# Adds a new transaction to the list of transactions

　　pass

　　@staticmethod

　　defhash(block):

　　# Hashes a Block

　　pass

　　@property

　　deflast_block(self):

　　# Returns the last Block in the chain

　　pass

　　一個(gè)區(qū)塊有五個(gè)基本屬性：index，timestamp(in Unix time)，transaction 列表，工作量證明(稍后解釋)以及前一個(gè)區(qū)塊的 Hash 值。

　　block={

　　'index':1,

　　'timestamp':1506057125.900785,

　　'transactions':[

　　{

　　'sender':"8527147fe1f5426f9dd545de4b27ee00",

　　'recipient':"a77f5cdfa2934df3954a5c7c7da5df1f",

　　'amount':5,

　　}

　　],

　　'proof':324984774000,

　　'previous_hash':"2cf24dba5fb0a30e26e83b2ac5b9e29e1b161e5c1fa7425e73043362938b9824"

　　}

　　到這里，區(qū)塊鏈的概念應(yīng)該比較清楚了：每個(gè)新的區(qū)塊都會包含上一個(gè)區(qū)塊的 Hash 值。這一點(diǎn)非常關(guān)鍵，它是區(qū)塊鏈不可變性的根本保障。如果攻擊者破壞了前面的某個(gè)區(qū)塊，那么后面所有區(qū)塊的 Hash 都會變得不正確。不理解?慢慢消化~

　　我們需要一個(gè)向區(qū)塊添加交易的方法：

　　classBlockchain(object):

　　...

　　defnew_transaction(self,sender,recipient,amount):

　　"""

　　Creates a new transaction to go into the next mined Block

　　:param sender: Address of the Sender

　　:param recipient: Address of the Recipient

　　:param amount: Amount

　　:return: The index of the Block that will hold this transaction

　　"""

　　self.current_transactions.append({

　　'sender':sender,

　　'recipient':recipient,

　　'amount':amount,

　　})

　　returnself.last_block['index']+1

　　new_transaction() 方法向列表中添加一個(gè)交易記錄，并返回該記錄將被添加到的區(qū)塊——下一個(gè)待挖掘的區(qū)塊——的索引，稍后在用戶提交交易時(shí)會有用。

　　當(dāng) Blockchain 實(shí)例化后，我們需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)初始的區(qū)塊(創(chuàng)世塊)，并且給它預(yù)設(shè)一個(gè)工作量證明。

　　除了添加創(chuàng)世塊的代碼，我們還需要補(bǔ)充 newblock(), newtransaction() 和 hash() 方法：

　　importhashlib

　　importjson

　　fromtimeimporttime

　　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):

　　block={

　　'index':len(self.chain)+1,

　　'timestamp':time(),

　　'transactions':self.current_transactions,

　　'proof':proof,

　　'previous_hash':previous_hashorself.hash(self.chain[-1]),

　　}

　　# Reset the current list of transactions

　　self.current_transactions=[]

　　self.chain.append(block)

　　returnblock

　　defnew_transaction(self,sender,recipient,amount):

　　self.current_transactions.append({

　　'sender':sender,

　　'recipient':recipient,

　　'amount':amount,

　　})

　　returnself.last_block['index']+1

　　@property

　　deflast_block(self):

　　returnself.chain[-1]

　　@staticmethod

　　defhash(block):

　　block_string=json.dumps(block,sort_keys=True).encode()

　　returnhashlib.sha256(block_string).hexdigest()

　　上面的代碼應(yīng)該很直觀，我們基本上有了區(qū)塊鏈的雛形。但此時(shí)你肯定很想知道一個(gè)區(qū)塊究竟是怎樣被創(chuàng)建或挖掘出來的。

　　新的區(qū)塊來自工作量證明(PoW)算法。PoW 的目標(biāo)是計(jì)算出一個(gè)符合特定條件的數(shù)字，這個(gè)數(shù)字對于所有人而言必須在計(jì)算上非常困難，但易于驗(yàn)證。這就是工作量證明的核心思想。

　　舉個(gè)例子：

　　假設(shè)一個(gè)整數(shù) x 乘以另一個(gè)整數(shù) y 的積的 Hash 值必須以 0 結(jié)尾，即 hash(x * y) = ac23dc...0。設(shè) x = 5，求 y?

　　fromhashlibimportsha256

　　x=5

　　y=0# We don't know what y should be yet...

　　whilesha256(f'{x*y}'.encode()).hexdigest()[-1]!="0":

　　y+=1

　　print(f'The solution is y = {y}')

　　結(jié)果是 y = 21 // hash(5 * 21) = 1253e9373e...5e3600155e860

　　在比特幣中，工作量證明算法被稱為 Hashcash，它和上面的問題很相似，只不過計(jì)算難度非常大。這就是礦工們?yōu)榱藸帄Z創(chuàng)建區(qū)塊的權(quán)利而爭相計(jì)算的問題。通常，計(jì)算難度與目標(biāo)字符串需要滿足的特定字符的數(shù)量成正比，礦工算出結(jié)果后，就會獲得一定數(shù)量的比特幣獎(jiǎng)勵(lì)(通過交易)。

　　網(wǎng)絡(luò)要驗(yàn)證結(jié)果，當(dāng)然非常容易。

　　讓我們來實(shí)現(xiàn)一個(gè) PoW 算法，和上面的例子非常相似，規(guī)則是：尋找一個(gè)數(shù) p，使得它與前一個(gè)區(qū)塊的 proof 拼接成的字符串的 Hash 值以 4 個(gè)零開頭。

　　importhashlib

　　importjson

　　fromtimeimporttime

　　fromuuidimportuuid4

　　classBlockchain(object):

　　...

　　defproof_of_work(self,last_proof):

　　proof=0

　　whileself.valid_proof(last_proof,proof)isFalse:

　　proof+=1

　　returnproof

　　@staticmethod

　　defvalid_proof(last_proof,proof):

　　guess=f'{last_proof}{proof}'.encode()

　　guess_hash=hashlib.sha256(guess).hexdigest()

　　returnguess_hash[:4]=="0000"

　　衡量算法復(fù)雜度的辦法是修改零的個(gè)數(shù)。4 個(gè)零足夠用于演示了，你會發(fā)現(xiàn)哪怕多一個(gè)零都會大大增加計(jì)算出結(jié)果所需的時(shí)間。

　　我們的 Blockchain 基本已經(jīng)完成了，接下來我們將使用 HTTP requests 來與之交互。

　　第二步：作為 API 的 Blockchain

　　我們將使用 Flask 框架，它十分輕量并且很容易將網(wǎng)絡(luò)請求映射到 Python 函數(shù)。

　　我們將創(chuàng)建三個(gè)接口：

　　/transactions/new創(chuàng)建一個(gè)交易并添加到區(qū)塊

　　/mine告訴服務(wù)器去挖掘新的區(qū)塊

　　/chain返回整個(gè)區(qū)塊鏈

　　我們的服務(wù)器將扮演區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)。我們先添加一些常規(guī)代碼：

　　importhashlib

　　importjson

　　fromtextwrapimportdedent

　　fromtimeimporttime

　　fromuuidimportuuid4

　　fromflaskimportFlask,jsonify,request

　　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),

　　}

　　returnjsonify(response),200

　　if__name__=='__main__':

　　app.run(host='127.0.0.1',port=5000)

　　這是用戶發(fā)起交易時(shí)發(fā)送到服務(wù)器的請求：

　　{

　　"sender":"my address",

　　"recipient":"someone else's address",

　　"amount":5

　　}

　　我們已經(jīng)有了向區(qū)塊添加交易的方法，因此剩下的部分就很簡單了：

　　@app.route('/transactions/new',methods=['POST'])

　　defnew_transaction():

　　values=request.get_json()

　　# Check that the required fields are in the POST'ed data

　　required=['sender','recipient','amount']

　　ifnotall(kinvaluesforkinrequired):

　　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}'}

　　returnjsonify(response),201

　　挖掘端正是奇跡發(fā)生的地方，它只做三件事：計(jì)算 PoW;通過新增一個(gè)交易授予礦工一定數(shù)量的比特幣;構(gòu)造新的區(qū)塊并將其添加到區(qū)塊鏈中。

　　@app.route('/mine',methods=['GET'])

　　defmine():

　　# 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

　　block=blockchain.new_block(proof)

　　response={

　　'message':"New Block Forged",

　　'index':block['index'],

　　'transactions':block['transactions'],

　　'proof':block['proof'],

　　'previous_hash':block['previous_hash'],

　　}

　　returnjsonify(response),200

　　需注意交易的接收者是我們自己的服務(wù)器節(jié)點(diǎn)，目前我們做的大部分事情都只是圍繞 Blockchain 類進(jìn)行交互。到此，我們的區(qū)塊鏈就算完成了。

　　第三步：交互演示

　　使用 Postman 演示，略。

　　第四步：一致性

　　這真的很棒，我們已經(jīng)有了一個(gè)基本的區(qū)塊鏈可以添加交易和挖礦。但是，整個(gè)區(qū)塊鏈系統(tǒng)必須是分布式的。既然是分布式的，那么我們究竟拿什么保證所有節(jié)點(diǎn)運(yùn)行在同一條鏈上呢?這就是一致性問題，我們要想在網(wǎng)絡(luò)中添加新的節(jié)點(diǎn)，就必須實(shí)現(xiàn)保證一致性的算法。

　　在實(shí)現(xiàn)一致性算法之前，我們需要找到一種方式讓一個(gè)節(jié)點(diǎn)知道它相鄰的節(jié)點(diǎn)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都需要保存一份包含網(wǎng)絡(luò)中其它節(jié)點(diǎn)的記錄。讓我們新增幾個(gè)接口：

　　1./nodes/register接收以URL的形式表示的新節(jié)點(diǎn)的列表

　　2./nodes/resolve用于執(zhí)行一致性算法，用于解決任何沖突，確保節(jié)點(diǎn)擁有正確的鏈

　　...

　　fromurllib.parseimporturlparse

　　...

　　classBlockchain(object):

　　def__init__(self):

　　...

　　self.nodes=set()

　　...

　　defregister_node(self,address):

　　parsed_url=urlparse(address)

　　self.nodes.add(parsed_url.netloc)

　　注意到我們用 set 來儲存節(jié)點(diǎn)，這是一種避免重復(fù)添加節(jié)點(diǎn)的簡便方法。

　　前面提到的沖突是指不同的節(jié)點(diǎn)擁有的鏈存在差異，要解決這個(gè)問題，我們規(guī)定最長的合規(guī)的鏈就是最有效的鏈，換句話說，只有最長且合規(guī)的鏈才是實(shí)際存在的鏈。

　　讓我們再添加兩個(gè)方法，一個(gè)用于添加相鄰節(jié)點(diǎn)，另一個(gè)用于解決沖突。

　　...

　　importrequests

　　classBlockchain(object)

　　...

　　defvalid_chain(self,chain):

　　last_block=chain[0]

　　current_index=1

　　whilecurrent_index(chain):

　　block=chain[current_index]

　　print(f'{last_block}')

　　print(f'{block}')

　　print("n-----------n")

　　# Check that the hash of the block is correct

　　ifblock['previous_hash']!=self.hash(last_block):

　　returnFalse

　　# Check that the Proof of Work is correct

　　ifnotself.valid_proof(last_block['proof'],block['proof']):

　　returnFalse

　　last_block=block

　　current_index+=1

　　returnTrue

　　defresolve_conflicts(self):

　　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

　　fornodeinneighbours:

　　response=requests.get(f'http://{node}/chain')

　　ifresponse.status_code==200:

　　length=response.json()['length']

　　chain=response.json()['chain']

　　# Check if the length is longer and the chain is valid

　　iflength>max_lengthandself.valid_chain(chain):

　　max_length=length

　　new_chain=chain

　　# Replace our chain if we discovered a new, valid chain longer than ours

　　ifnew_chain:

　　self.chain=new_chain

　　returnTrue

　　returnFalse

　　現(xiàn)在你可以新開一臺機(jī)器，或者在本機(jī)上開啟不同的網(wǎng)絡(luò)接口來模擬多節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)，或者邀請一些朋友一起來測試你的區(qū)塊鏈。

　　我希望本文能激勵(lì)你創(chuàng)造更多新東西。我之所以對數(shù)字貨幣入迷，是因?yàn)槲蚁嘈艆^(qū)塊鏈會很快改變我們看待事物的方式，包括經(jīng)濟(jì)、政府、檔案管理等。