使用Python从零开始撸一个区块链

简介

本文将介绍如何使用Python从零开始构建一个简单的区块链。区块链是一个去中心化的分布式数据库，其中的数据被存储在一系列的区块中。每个区块包含一些数据和指向前一个区块的指针。由于它们的分布式本质，区块链不容易受到单个点或攻击的影响。这使得它们对于许多不同类型的应用都有价值。

在本文中，我们将使用Python和Flask来编写我们的区块链。我们将涵盖以下主题：

1. 区块链基础知识
2. 结构化我们的区块
3. 使用hash函数保护区块链
4. 实现中央控制器
5. 实现网络节点
6. 实现新的区块的添加

区块链基础知识

区块链的本质是一串区块的链式存储机制，每个区块都包含一定的数据和指向前一个区块的指针。我们的第一步是定义一个表示单个区块的类。

import hashlib
import json
from time import time

class Block:
    def __init__(self, index, transactions, timestamp, previous_hash):
        self.index = index
        self.transactions = transactions
        self.timestamp = timestamp
        self.previous_hash = previous_hash
        self.nonce = 0

    def hash_block(self):
        """
        通过将区块的属性串联成一个字符串，并对其进行哈希运算来计算区块的哈希值。
        """
        block_string = json.dumps(self.__dict__, sort_keys=True)
        return hashlib.sha256(block_string.encode()).hexdigest()

在上面的代码中，我们定义了一个Block类，它有一个索引（index）、交易信息（transactions）、时间戳（timestamp）和指向前一个区块的哈希（previous_hash）属性。它还有一个nonce属性，我们稍后将解释其如何工作。最后，我们还为该类定义了一个hash_block()方法，它将对整个区块进行哈希运算，并返回哈希值。

结构化我们的区块

我们可以使用Python List来存储区块。在这种情况下，我们将需要使用创世区块（genesis block）来启动我们的链。

class Blockchain:
    def __init__(self):
        self.chain = [self.create_genesis_block()]

    def create_genesis_block(self):
        """
        创建创世区块
        """
        return Block(0, [], time(), "0")

    def add_block(self, transactions):
        """
        添加一个新的区块。
        """
        previous_block = self.chain[-1]
        new_block = Block(previous_block.index + 1, transactions, time(), previous_block.hash_block())
        self.chain.append(new_block)

在上面的代码中，我们定义了另一个名为Blockchain的类。它有一个自己的属性叫作chain。在初始化方法中，我们将创建一个创世区块并将其添加到链中。

我们还定义了一个方法add_block()，它接受一个transactions参数，该参数是一个交易数组，表示该区块中的交易。我们首先获取当前区块链的最后一个区块，并将其存储在previous_block变量中。然后，我们创建一个新区块，将其添加到链的末尾并返回。

使用hash函数保护区块链

哈希函数是计算机科学中的重要工具，用于将数据转换为唯一的数字字符串。我们利用哈希函数保护区块链。每个区块包含指向前一个区块的哈希值。这使得任何尝试篡改区块链的恶意行为都变得更加困难。如果恶意行为者想要将一个区块替换为自己的区块，则必须重新计算所有后续区块的哈希值，这几乎是不可能的。

def hash_block(self):
        """
        通过将区块的属性串联成一个字符串，并对其进行哈希运算来计算区块的哈希值。
        """
        block_string = json.dumps(self.__dict__, sort_keys=True)
        return hashlib.sha256(block_string.encode()).hexdigest()

在上面的代码中，我们利用Python的hashlib模块的sha256()函数来计算区块的哈希值。该函数接受一个可以安全地哈希的bytes类型参数，并返回一个带有256位数字字符串的hexdigest()。

实现中央控制器

中央控制器是我们区块链系统的核心。它将存储区块链，并提供一组API来允许外部用户与之交互。例如，它将允许用户添加新的交易或查看当前的区块链。

from flask import Flask, jsonify, request

app = Flask(__name__)
blockchain = Blockchain()

@app.route('/chain', methods=['GET'])
def get_chain():
    """
    返回整个区块链
    """
    chain_data = []
    for block in blockchain.chain:
        chain_data.append(block.__dict__)
    return jsonify({"length": len(chain_data), "chain": chain_data})

@app.route('/add_transaction', methods=['POST'])
def add_transaction():
    """
    添加新的交易
    """
    transaction_data = request.get_json()
    blockchain.add_block(transaction_data)
    return "Transaction added to Blockchain"

在上面的代码中，我们首先引用Flask lib库。我们还创建了一个名为blockchain的Blockchain实例。然后，我们定义了两个API端点：一个用于获取当前区块链，并将其表示为JSON格式的字符串;另一个用于添加新的交易数据。

实现网络节点

下一步是实现网络节点。节点可以相互通信，并将新的区块添加到它们各自的链中。在我们的实现中，我们将使用简单的HTTP请求来完成此操作。

from urllib.parse import urlparse

class Node:
    def __init__(self, address):
        self.address = address

    def add_block(self, block):
        """
        向节点的区块链中添加新块。
        """
        # 发送POST请求以将块添加到节点的链中。
        response = requests.post(self.address + "/add_block", json=block.__dict__)
        if response.status_code == 200:
            print("Block added to Node")

    def sync(self):
        """
        从其他节点同步区块链。
        """
        # 发送GET请求以获取最长的链。
        response = requests.get(self.address + "/chain")
        if response.status_code == 200:
            chain_data = response.json()['chain']
            chain = []
            for block_data in chain_data:
                block = Block(block_data['index'], block_data['transactions'], block_data['timestamp'], block_data['previous_hash'])
                chain.append(block)
            blockchain.chain = chain

在上述代码中，我们定义了一个名为Node的类，它代表了我们网络中的单个节点。每个节点由一个网络地址（address）和相应的区块链组成。

该类也有两个方法。第一个是add_block()，它接受一个块对象，并将其添加到对应节点的区块链中。我们使用Python的requests库向节点发出POST请求，以添加新的块。

第二个方法是sync()，它获取节点当前的链，并将其与当前的链进行同步。我们使用Python的requests库向节点发出GET请求，以获取最新的链。然后，我们重建区块并将链数据存储在中央控制器对象（blockchain）中。这样，我们就可以将其他节点的链与我们的链进行同步。

实现新的区块的添加

现在我们已经实现了所有必备的功能，下一步是为我们的区块链添加一些交易数据。下面是一些示例代码，它将声明两个网络节点，并将一些交易数据添加到他们的区块链中。

node1 = Node('http://127.0.0.1:5000')
node2 = Node('http://127.0.0.1:5001')

node1.add_block([])
node2.sync()
node1.add_block([{'sender': 'Alice', 'recipient': 'Bob', 'amount': 3}])
node2.sync()
node1.add_block([{'sender': 'Bob', 'recipient': 'Charlie', 'amount': 5}])
node2.sync()
node1.add_block([{'sender': 'Charlie', 'recipient': 'Alice', 'amount': 1}])
node2.sync()

在上面的代码中，我们首先创建了两个节点对象，然后向第一个节点添加了一个初始块。接下来，我们向第一个节点添加了三个交易块，并使用sync()函数将其与另一个节点同步。```

结论

在本文中，我们用Python和Flask实现了区块链的一个简单版本。我们学习了区块链的基础和工作原理，以及如何使用hash函数来保护我们的数据。我们还实现了一个中央控制器，它允许用户添加新的交易和查看当前的区块链。最后，我们还描述了如何将其他节点的链与我们自己的链进行同步，以实现分布式的区块链数据存储。

在这个示例中，我们展示了如何将区块链技术应用于一个简单的示例。通过基于我们的示例，读者可以更全面地了解如何使用Python构建更加完整和功能丰富的区块链系统。