本文内容主要翻译自Learn Blockchains by Building One。最快的学习区块链的方式是自己创建一个。我们都对比特币的崛起感到惊讶惊奇，并且想知道其背后的技术——区块链是如何实现的。

但是完全搞懂区块链并非易事，至少对我来讲是这样。我喜欢在实践中学习，通过写代码来学习技术会掌握得更牢固。通过构建一个区块链可以加深对区块链的理解。

准备工作

我们知道区块链是由区块的记录构成的不可变、有序的链结构，记录可以是交易、文件或任何你想要的数据，重要的是它们是通过哈希值（hashes）链接起来的。阅读这篇文章，要求读者对Python有基本的了解，能编写基本的Python代码，并且需要对HTTP请求有基本的理解。

环境准备

确保已经安装Python3.6+, pip , Flask, requests。安装方法：pip install Flask==0.12.2 requests==2.18.4同时还需要一个HTTP客户端，比如Postman，cURL或其它客户端。

一、开始创建BlockChain

打开你最喜欢的文本编辑器或者IDE，比如PyCharm，新建一个文件 blockchain.py，本文所有的代码都写在这一个文件中。BlockChain类首先创建一个Blockchain类，在构造函数中创建了两个列表，一个用于储存区块链，一个用于储存交易。以下是BlockChain类的框架：class Blockchain(object):def __init__(self): self.chain = [] self.current_transactions = [] def new_block(self): # Creates a new Block and adds it to the chainpass def new_transaction(self): # Adds a new transaction to the list of transactionspass@staticmethod def hash(block): # Hashes a Blockpass@property def last_block(self): # Returns the last Block in the chainpassBlockchain类用来管理链条，它能存储交易，加入新块等，下面我们来进一步完善这些方法。块结构每个区块包含属性：索引（index），Unix时间戳（timestamp），交易列表（transactions），工作量证明（稍后解释）以及前一个区块的Hash值。以下是一个区块结构：block = { 'index': 1, 'timestamp': 1506057125.900785, 'transactions': [{ 'sender': "8527147fe1f5426f9dd545de4b27ee00", 'recipient': "a77f5cdfa2934df3954a5c7c7da5df1f", 'amount': 5,}], 'proof': 324984774000, 'previous_hash': "2cf24dba5fb0a30e26e83b2ac5b9e29e1b161e5c1fa7425e73043362938b9824"}到这里，区块链的概念就清楚了，每个新的区块都包含上一个区块的Hash，这是关键的一点，它保障了区块链不可变性。如果攻击者破坏了前面的某个区块，那么后面所有区块的Hash都会变得不正确。加入交易接下来我们需要添加一个交易，来完善下new_transaction方法class Blockchain(object):... def new_transaction(self, sender, recipient, amount):"""生成新交易信息，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方法向列表中添加一个交易记录，并返回该记录将被添加到的区块(下一个待挖掘的区块)的索引，等下在用户提交交易时会有用。创建区块当Blockchain实例化后，我们需要构造一个创世块（没有前区块的第一个区块），并且给它加上一个工作量证明。每个区块都需要经过工作量证明，俗称挖矿，稍后会继续讲解。为了构造创世块，我们还需要完善new_block(), new_transaction() 和hash() 方法：import hashlibimport jsonfrom time import timeclass Blockchain(object):def __init__(self):self.current_transactions = []self.chain = [] # Create the genesis blockself.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]),} # Reset the current list of transactionsself.current_transactions = []self.chain.append(block) return block def new_transaction(self, sender, recipient, amount):"""生成新交易信息，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>"""# We must make sure that the Dictionary is Ordered, or we'll have inconsistent hashesblock_string = json.dumps(block, sort_keys=True).encode() return hashlib.sha256(block_string).hexdigest()通过上面的代码和注释可以对区块链有直观的了解，接下来我们看看区块是怎么挖出来的。理解工作量证明新的区块依赖工作量证明算法（PoW）来构造。PoW的目标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。为了方便理解，我们举个例子：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。设变量 x = 5，求 y 的值？用Python实现如下：from hashlib import sha256x = 5y = 0 # y未知while sha256(f'{x*y}'.encode()).hexdigest()[-1] != "0":y += 1print(f'The solution is y = {y}')结果y=21，因为：hash(5 * 21) = 1253e9373e...5e3600155e860在比特币中，使用称为Hashcash的工作量证明算法，它和上面的问题很类似。矿工们为了争夺创建区块的权利而争相计算结果。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，会获得比特币奖励。当然，在网络上非常容易验证这个结果。实现工作量证明让我们来实现一个相似PoW算法，规则是：寻找一个数 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。import hashlibimport jsonfrom time import timefrom 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"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。

二、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：import hashlibimport jsonfrom textwrap import dedentfrom time import timefrom uuid import uuid4from flask import Flaskclass Blockchain(object):...# Instantiate our Nodeapp = Flask(__name__)# Generate a globally unique address for this nodenode_identifier = str(uuid4()).replace('-', '')# Instantiate the Blockchainblockchain = 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), 200if __name__ == '__main__':app.run(host='127.0.0.1', port=5000)简单的说明一下以上代码：第15行: 创建一个节点.第18行: 为节点创建一个随机的名字.第21行: 实例Blockchain类.第24–26行: 创建/mine GET接口。第28–30行: 创建/transactions/new POST接口,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: 服务运行在端口5000上.发送交易发送到节点的交易数据结构如下：{"sender": "my address","recipient": "someone else's address","amount": 5}之前已经有添加交易的方法，基于接口来添加交易就很简单了import hashlibimport jsonfrom textwrap import dedentfrom time import timefrom uuid import uuid4from flask import Flask, jsonify, [email protected]('/transactions/new', methods=['POST'])def new_transaction():values = request.get_json() # Check that the required fields are in the POST'ed datarequired = ['sender', 'recipient', 'amount'] if not all(k in values for k in required): return 'Missing values', 400# Create a new Transactionindex = blockchain.new_transaction(values['sender'], values['recipient'], values['amount'])response = {'message': f'Transaction will be added to Block {index}'} return jsonify(response), 201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import hashlibimport jsonfrom time import timefrom uuid import uuid4from flask import Flask, jsonify, [email protected]('/mine', methods=['GET'])def mine():# We run the proof of work algorithm to get the next proof...last_block = blockchain.last_blocklast_proof = last_block['proof']proof = blockchain.proof_of_work(last_proof) # 给工作量证明的节点提供奖励.# 发送者为 "0" 表明是新挖出的币blockchain.new_transaction(sender="0",recipient=node_identifier,amount=1,) # Forge the new Block by adding it to the chainblock = blockchain.new_block(proof)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

三、运行区块链

你可以使用cURL 或Postman 去和API进行交互启动server:$python blockchain.py* Runing on http://127.0.0.1:5000/ (Press CTRL+C to quit)让我们通过请求 http://localhost:5000/mine 来进行挖矿

通过post请求，添加一个新交易

如果不是使用Postman，则用一下的cURL语句也是一样的：$ curl -X POST -H "Content-Type: application/json" -d '{"sender": "d4ee26eee15148ee92c6cd394edd974e","recipient": "someone-other-address","amount": 5}' "http://localhost:5000/transactions/new"在挖了两次矿之后，就有3个块了，通过请求 http://localhost:5000/chain 可以得到所有的块信息。{ "chain": [{ "index": 1, "previous_hash": 1, "proof": 100, "timestamp": 1506280650.770839, "transactions": []},{ "index": 2, "previous_hash": "c099bc...bfb7", "proof": 35293, "timestamp": 1506280664.717925, "transactions": [{ "amount": 1, "recipient": "8bbcb347e0634905b0cac7955bae152b", "sender": "0"}]},{ "index": 3, "previous_hash": "eff91a...10f2", "proof": 35089, "timestamp": 1506280666.1086972, "transactions": [{ "amount": 1, "recipient": "8bbcb347e0634905b0cac7955bae152b", "sender": "0"}]}], "length": 3}

四、一致性（共识）

非常棒，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：...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)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。实现共识算法前面提到，冲突是指不同的节点拥有不同的链，为了解决这个问题，规定最长的、有效的链才是最终的链，换句话说，网络中有效最长链才是实际的链。我们使用以下的算法，来达到网络中的共识...import requestsclass 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 = 1while current_index < len(chain):block = chain[current_index]print(f'{last_block}')print(f'{block}')print(" ----------- ") # Check that the hash of the block is correctif block['previous_hash'] != self.hash(last_block): return False # Check that the Proof of Work is correctif not self.valid_proof(last_block['proof'], block['proof']): return Falselast_block = blockcurrent_index += 1return True def resolve_conflicts(self): """共识算法解决冲突使用网络中最长的链.:return: <bool> True 如果链被取代, 否则为False"""neighbours = self.nodesnew_chain = None # We're only looking for chains longer than oursmax_length = len(self.chain) # Grab and verify the chains from all the nodes in our networkfor 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 validif length > max_length and self.valid_chain(chain):max_length = lengthnew_chain = chain # Replace our chain if we discovered a new, valid chain longer than oursif new_chain:self.chain = new_chain return True return False第1个方法 valid_chain() 用来检查是否是有效链，遍历每个块验证hash和proof。第2个方法 resolve_conflicts() 用来解决冲突，遍历所有的邻居节点，并用上一个方法检查链的有效性， 如果发现有效更长链，就替换掉自己的链。让我们添加两个路由，一个用来注册节点，一个用来解决冲突。@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), [email protected]('/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你可以在不同的机器运行节点，或在一台机机开启不同的网络端口来模拟多节点的网络，这里在同一台机器开启不同的端口演示，在不同的终端运行一下命令，就启动了两个节点：http://localhost:5000 和 http://localhost:5001pipenv run python blockchain.pypipenv run python blockchain.py -p 5001

然后在节点2上挖两个块，确保是更长的链，然后在节点1上访问接口/nodes/resolve ,这时节点1的链会通过共识算法被节点2的链取代。

好啦，你可以邀请朋友们一起来测试你的区块链。