知識星球作者：Charlie_Jade
來自：https://segmentfault.com/a/1190000014483104
你是否會和我一樣，對加密數字貨幣底層的區塊鏈技術非常感興趣，特別想瞭解他們的執行機制。
但是學習區塊鏈技術並非一帆風順，我看多了大量的影片教程還有各種課程，最終的感覺就是真正可用的實戰課程太少。
我喜歡在實踐中學習，尤其喜歡一程式碼為基礎去瞭解整個工作機制。如果你我一樣喜歡這種學習方式，當你學完本教程時，你將會知道區塊鏈技術是如何工作的。
寫在開始之前
記住，區塊鏈是一個不可變的、有序的被稱為塊的記錄鏈。它們可以包含交易、檔案或任何您喜歡的資料。但重要的是，他們用雜湊一起被連結在一起。
如果你不熟悉雜湊，這裡是一個解釋：https://learncryptography.com/hash-functions/what-are-hash-functions。
該指南的目的是什麼?
你可以舒服地閱讀和編寫基礎的Python，因為我們將透過HTTP與區塊鏈進行討論，所以你也要瞭解HTTP的工作原理。
我需要準備什麼?
確定安裝了 Python 3.6+ (還有 pip) ，你還需要安裝 Flask、 Requests 庫：
pip install Flask==0.12.2 requests==2.18.4
對了, 你還需要一個支援HTTP的客戶端, 比如 Postman 或者 cURL，其他也可以。
原始碼在哪兒?
可以點選這裡：https://github.com/dvf/blockchain
Step 1: 建立一個區塊鏈
開啟你最喜歡的文字編輯器或者IDE, 我個人比較喜歡 PyCharm. 新建一個名為 blockchain.py的檔案。 我們將只用這一個檔案就可以。但是如果你還是不太清楚, 你也可以參考 原始碼.
描述區塊鏈
我們要建立一個 Blockchain 類 ，他的建構式建立了一個初始化的空串列（要儲存我們的區塊鏈），並且另一個儲存交易。下麵是我們這個類的實體：
blockchain.py
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
我們的 Blockchain 類負責管理鏈式資料，它會儲存交易並且還有新增新的區塊到鏈式資料的Method。讓我們開始擴充更多Method。
塊是什麼樣的 ?
每個塊都有一個 索引，一個 時間戳（Unix時間戳），一個 事務串列， 一個 校驗(稍後詳述) 和 前一個塊的雜湊 。
下麵是一個Block的例子 ：
blockchain.py
block = {
'index': 1,
'timestamp': 1506057125.900785,
'transactions': [
{
'sender': "8527147fe1f5426f9dd545de4b27ee00",
'recipient': "a77f5cdfa2934df3954a5c7c7da5df1f",
'amount': 5,
}
],
'proof': 324984774000,
'previous_hash': "2cf24dba5fb0a30e26e83b2ac5b9e29e1b161e5c1fa7425e73043362938b9824"
}
在這一點上，一個 區塊鏈 的概念應該是明顯的 - 每個新塊都包含在其內的前一個塊的 雜湊 。 這是至關重要的，因為這是 區塊鏈 不可改變的原因：如果攻擊者損壞 區塊鏈 中較早的塊，則所有後續塊將包含不正確的雜湊值。
這有道理嗎？ 如果你還沒有想通，花點時間仔細思考一下——這是區塊鏈背後的核心理念
新增交易到區塊
我們將需要一個新增交易到區塊的方式。我們的 new_transaction()方法的責任就是這個， 並且它非常的簡單：
blockchain.py
class Blockchain(object):
...
def new_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,
})
return self.last_block['index'] + 1
new_transaction() 方法添加了交易到串列，它傳回了交易將被新增到的區塊的索引---講開採下一個這對稍後對提交交易的使用者有用。
建立新的區塊
當我們的 Blockchain 被實體化後，我們需要將 創世 區塊（一個沒有前導區塊的區塊）新增進去進去。我們還需要向我們的起源塊新增一個 證明，這是挖礦的結果(或工作證明)。 我們稍後會詳細討論挖礦。
除了在建構式中建立 創世 區塊外，我們還會補全 new_block() 、 new_transaction() 和 hash() 函式：
blockchain.py
import hashlib
import json
from time import time
class Blockchain(object):
def __init__(self):
self.current_transactions = []
self.chain = []
# 建立創世區塊
self.new_block(previous_hash=1, proof=100)
def new_block(self, proof, previous_hash=None):
"""
建立一個新的區塊到區塊鏈中
:param proof:由工作證明演演算法生成的證明
:param previous_hash: (Optional)前一個區塊的 hash 值
:return:新區塊
"""
block = {
'index': len(self.chain) + 1,
'timestamp': time(),
'transactions': self.current_transactions,
'proof': proof,
'previous_hash': previous_hash or self.hash(self.chain[-1]),
}
# 重置當前交易記錄
self.current_transactions = []
self.chain.append(block)
return block
def new_transaction(self, sender, recipient, amount):
"""
建立一筆新的交易到下一個被挖掘的區塊中
:param sender:傳送人的地址
:param recipient:接收人的地址
:param amount:金額
:return:持有本次交易的區塊索引
"""
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):
"""
給一個區塊生成 SHA-256 值
:param block:Block
:return:
"""
# 我們必須確保這個字典（區塊）是經過排序的，否則我們將會得到不一致的雜湊
block_string = json.dumps(block, sort_keys=True).encode()
return hashlib.sha256(block_string).hexdigest()
上面的程式碼應該是直白的 --- 為了讓程式碼清晰，我添加了一些註釋和檔案說明。 我們差不多完成了我們的區塊鏈。 但在這個時候你一定很疑惑新的塊是怎麼被建立、鍛造或挖掘的。
工作量證明演演算法
使用工作量證明（PoW）演演算法，來證明是如何在區塊鏈上建立或挖掘新的區塊。PoW 的標的是計算出一個符合特定條件的數字，這個數字對於所有人而言必須在計算上非常困難，但易於驗證。這是工作證明背後的核心思想。
我們將看到一個簡單的例子幫助你理解：
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 x = 5，求 y ？用 Python 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}')
結果是： y = 21。因為，生成的 Hash 值結尾必須為 0。
hash(5 * 21) = 1253e9373e...5e3600155e860
在比特幣中，工作量證明演演算法被稱為 Hashcash ，它和上面的問題很相似，只不過計算難度非常大。這就是礦工們為了爭奪建立區塊的權利而爭相計算的問題。 通常，計算難度與標的字串需要滿足的特定字元的數量成正比，礦工算出結果後，就會獲得一定數量的比特幣獎勵（透過交易）。
驗證結果，當然非常容易。
實現工作量證明
讓我們來實現一個相似 PoW 演演算法。規則類似上面的例子：
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。
blockchain.py
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:
:return:
"""
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:Previous Proof
:param proof:Current Proof
:return: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。
Step 2: 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傳回整個區塊鏈
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：
blockchain.py
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)
簡單的說明一下以上程式碼：
-
第 15 行：實體化節點。閱讀更多關於 Flask 內容。
-
第 18 行：為節點建立一個隨機的名稱。.
-
第 21 行：實體化 Blockchain 類。
-
第 24--26 行：建立 /mine 介面，GET 方式請求。
-
第 28--30 行：建立 /transactions/new 介面，POST 方式請求，可以給介面傳送交易資料。
-
第 32--38 行：建立 /chain 介面，傳回整個區塊鏈。
-
第 40--41 行：伺服器執行埠 5000 。
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
}
因為我們已經有了新增交易的方法，所以基於介面來新增交易就很簡單了。讓我們為新增事務寫函式：
blockchain.py
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
挖礦
挖礦正是神奇所在，它很簡單，做了一下三件事：
-
計算工作量證明 PoW
-
透過新增一個交易授予礦工（自己）一個幣
-
構造新區塊並將其新增到鏈中
blockchain.py
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
註意交易的接收者是我們自己的伺服器節點，我們做的大部分工作都只是圍繞 Blockchain 類方法進行互動。到此，我們的區塊鏈就算完成了，我們來實際執行下.
Step 3: 執行區塊鏈
你可以使用 cURL 或 Postman 去和 API 進行互動。
啟動 Server：
$ python blockchain.py
* Running on http://127.0.0.1:5000/ (Press CTRL+C to quit)
讓我們透過請求 http://localhost:5000/mine （ GET ）來進行挖礦：
用 Postman 發起一個 GET 請求。
建立一個交易請求，請求 http://localhost:5000/transactions/new （POST）,如圖
如果不是使用 Postman，則用一下的 cURL 陳述句也是一樣的：
$ curl -X POST -H "Content-Type: application/json" -d '{
"sender": "d4ee26eee15148ee92c6cd394edd974e",
"recipient": "someone-other-address",
"amount": 5
}' "http://localhost:5000/transactions/new"
在挖了兩次礦之後，就有 3 個塊了，透過請求 http://localhost:5000/chain 可以得到所有的塊資訊：
{
"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
}
Step 4: 一致性（共識）
我們已經有了一個基本的區塊鏈可以接受交易和挖礦。但是區塊鏈系統應該是分散式的。既然是分散式的，那麼我們究竟拿什麼保證所有節點有同樣的鏈呢？這就是一致性問題，我們要想在網路上有多個節點，就必須實現一個一致性的演演算法。
註冊節點
在實現一致性演演算法之前，我們需要找到一種方式讓一個節點知道它相鄰的節點。每個節點都需要儲存一份包含網路中其它節點的記錄。因此讓我們新增幾個介面：
-
/nodes/register接收 URL 形式的新節點串列. -
/nodes/resolve執行一致性演演算法，解決任何衝突，確保節點擁有正確的鏈.
我們修改下 Blockchain 的 init 函式並提供一個註冊節點方法：
blockchain.py
...
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:Address of node. Eg. 'http://192.168.0.5:5000'
:return: None
"""
parsed_url = urlparse(address)
self.nodes.add(parsed_url.netloc)
我們用 set 來儲存節點，這是一種避免重覆新增節點的簡單方法.
實現共識演演算法
就像先前講的那樣，當一個節點與另一個節點有不同的鏈時，就會產生衝突。 為瞭解決這個問題，我們將制定最長的有效鏈條是最權威的規則。換句話說就是：在這個網路裡最長的鏈就是最權威的。 我們將使用這個演演算法，在網路中的節點之間達成共識。
blockchain.py
...
import requests
class Blockchain(object)
...
def valid_chain(self, chain):
"""
Determine if a given blockchain is valid
:param chain:A blockchain
:return: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("-----------")
# 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: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
第一個方法 valid_chain() 負責檢查一個鏈是否有效，方法是遍歷每個塊並驗證雜湊和證明。
resolve_conflicts() 是一個遍歷我們所有鄰居節點的方法，下載它們的鏈並使用上面的方法驗證它們。 如果找到一個長度大於我們的有效鏈條，我們就取代我們的鏈條。
我們將兩個端點註冊到我們的API中，一個用於新增相鄰節點，另一個用於解決衝突：
blockchain.py
@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", 400
for node in nodes:
blockchain.register_node(node)
response = {
'message': 'New nodes have been added',
'total_nodes': list(blockchain.nodes),
}
return jsonify(response), 201
@app.route('/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
在這一點上，如果你喜歡，你可以使用一臺不同的機器，併在你的網路上啟動不同的節點。 或者使用同一臺機器上的不同埠啟動行程。 我在我的機器上，不同的埠上建立了另一個節點，並將其註冊到當前節點。 因此，我有兩個節點： http://localhost:5000 和 http://localhost:5001。 註冊一個新節點：
然後我在節點 2 上挖掘了一些新的塊，以確保鏈條更長。 之後，我在節點1上呼叫 GET/nodes/resolve，其中鏈由一致性演演算法取代：
這是一個包，去找一些朋友一起，以幫助測試你的區塊鏈。
我希望本文能激勵你創造更多新東西。我之所以對數字貨幣入迷，是因為我相信區塊鏈會很快改變我們看待事物的方式，包括經濟、政府、檔案管理等。
更新：我計劃在接下來的第2部分中繼續討論區塊鏈交易驗證機制，並討論一些可以讓區塊鏈進行生產的方法。
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