摘要：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。我們差不多完成了我們的區塊鏈。工作量證明算法使用工作量證明算法，來證明是如何在區塊鏈上創建或挖掘新的區塊。

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，特別想了解他們的運行機制。

但是學習區塊鏈技術并非一帆風順，我看多了大量的視頻教程還有各種課程，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，尤其喜歡一代碼為基礎去了解整個工作機制。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。

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、文件或任何您喜歡的數據。但重要的是，他們用哈希 一起被鏈接在一起。

如果你不熟悉哈希, 這里是一個解釋.

該指南的目的是什么? 你可以舒服地閱讀和編寫基礎的Python，因為我們將通過HTTP與區塊鏈進行討論，所以你也要了解HTTP的工作原理。

我需要準備什么? 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, 你還需要一個支持HTTP的客戶端, 比如 Postman 或者 cURL，其他也可以。
源碼在哪兒? 可以點擊這里

打開你最喜歡的文本編輯器或者IDE, 我個人比較喜歡 PyCharm. 新建一個名為blockchain.py的文件。 我們將只用這一個文件就可以。但是如果你還是不太清楚, 你也可以參考 源碼.

我們要創建一個 Blockchain 類 ，他的構造函數創建了一個初始化的空列表（要存儲我們的區塊鏈），并且另一個存儲交易。下面是我們這個類的實例:

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 類負責管理鏈式數據，它會存儲交易并且還有添加新的區塊到鏈式數據的Method。讓我們開始擴充更多Method

每個塊都有一個 索引，一個 時間戳（Unix時間戳），一個事務列表， 一個 校驗(稍后詳述) 和 前一個塊的散列 。

下面是一個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 散列 。 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，則所有后續塊將包含不正確的哈希值。

這有道理嗎？ 如果你還沒有想通，花點時間仔細思考一下 - 這是區塊鏈背后的核心理念

我們將需要一個添加交易到區塊的方式。我們的?new_transaction()方法的責任就是這個， 并且它非常的簡單:

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()?方法添加了交易到列表，它返回了交易將被添加到的區塊的索引---講開采下一個這對稍后對提交交易的用戶有用。

當我們的 ?Blockchain? 被實例化后，我們需要將 創世 區塊（一個沒有前導區塊的區塊）添加進去進去。我們還需要向我們的起源塊添加一個 證明，這是挖礦的結果(或工作證明)。 我們稍后會詳細討論挖礦。

除了在構造函數中創建 創世 區塊外，我們還會補全 ?new_block() 、 ?new_transaction() ?和?hash() 函數：

blockchain.py

import hashlib
import json
from time import time


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

        # 創建創世區塊
        self.new_block(previous_hash=1, proof=100)

    def new_block(self, proof, previous_hash=None):
        """
        創建一個新的區塊到區塊鏈中
        :param proof:  由工作證明算法生成的證明
        :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):
        """
        創建一筆新的交易到下一個被挖掘的區塊中
        :param sender:  發送人的地址
        :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散列
        block_string = json.dumps(block, sort_keys=True).encode()
        return hashlib.sha256(block_string).hexdigest()

上面的代碼應該是直白的 --- 為了讓代碼清晰，我添加了一些注釋和文檔說明。 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么被創建、鍛造或挖掘的。

使用工作量證明（PoW）算法，來證明是如何在區塊鏈上創建或挖掘新的區塊。PoW 的目標是計算出一個符合特定條件的數字，這個數字對于所有人而言必須在計算上非常困難，但易于驗證。這是工作證明背后的核心思想。

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創建區塊的權利而爭相計算的問題。 通常，計算難度與目標字符串需要滿足的特定字符的數量成正比，礦工算出結果后，就會獲得一定數量的比特幣獎勵（通過交易）。

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 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 拼接成的字符串的 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"

衡量算法復雜度的辦法是修改零開頭的個數。使用 4 個來用于演示，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 來進行交互。

我們將使用 Python Flask 框架，這是一個輕量 Web 應用框架，它方便將網絡請求映射到 Python 函數，現在我們來讓 Blockchain 運行在基于 Flask web 上。

我們將創建三個接口：

/transactions/new?創建一個交易并添加到區塊

/mine?告訴服務器去挖掘新的區塊

/chain?返回整個區塊鏈

我們的“Flask 服務器”將扮演區塊鏈網絡中的一個節點。我們先添加一些框架代碼：

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代碼：

第 15 行：實例化節點。閱讀更多關于 Flask 內容。

第 18 行：為節點創建一個隨機的名稱。.

第 21 行：實例化?Blockchain 類。

第 24--26 行：創建 /mine 接口，GET 方式請求。?

第 28--30 行：創建 /transactions/new 接口，POST 方式請求，可以給接口發送交易數據。

第 32--38 行：創建 /chain 接口，返回整個區塊鏈。

第 40--41 行：服務器運行端口 5000 。

發送到節點的交易數據結構如下：

{
 "sender": "my address",
 "recipient": "someone else"s address",
 "amount": 5
}

因為我們已經有了添加交易的方法，所以基于接口來添加交易就很簡單了。讓我們為添加事務寫函數:

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

通過新增一個交易授予礦工（自己）一個幣

構造新區塊并將其添加到鏈中

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

注意交易的接收者是我們自己的服務器節點，我們做的大部分工作都只是圍繞 Blockchain 類方法進行交互。到此，我們的區塊鏈就算完成了，我們來實際運行下.

你可以使用 cURL 或 Postman 去和 API 進行交互

啟動 Server：

$ python blockchain.py
* Running on http://127.0.0.1:5000/ (Press CTRL+C to quit)

讓我們通過請求 http://localhost:5000/mine （ GET ）來進行挖礦：

用 Postman 發起一個 GET 請求.

創建一個交易請求，請求 http://localhost:5000/transactions/new （POST）,如圖

如果不是使用 Postman，則用一下的 cURL 語句也是一樣的：

$ curl -X POST -H "Content-Type: application/json" -d "{
 "sender": "d4ee26eee15148ee92c6cd394edd974e",
 "recipient": "someone-other-address",
 "amount": 5
}" "http://localhost:5000/transactions/new"

在挖了兩次礦之后，就有 3 個塊了，通過請求 http://localhost:5000/chain 可以得到所有的塊信息

{
  "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
}

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布式的。既然是分布式的，那么我們究竟拿什么保證所有節點有同樣的鏈呢？這就是一致性問題，我們要想在網絡上有多個節點，就必須實現一個一致性的算法

在實現一致性算法之前，我們需要找到一種方式讓一個節點知道它相鄰的節點。每個節點都需要保存一份包含網絡中其它節點的記錄。因此讓我們新增幾個接口：

/nodes/register?接收 URL 形式的新節點列表.

/nodes/resolve?執行一致性算法，解決任何沖突，確保節點擁有正確的鏈.

我們修改下 Blockchain 的 init 函數并提供一個注冊節點方法：

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，這是一種避免重復添加節點的簡單方法.

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，就會產生沖突。 為了解決這個問題，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：在這個網絡里最長的鏈就是最權威的。 我們將使用這個算法，在網絡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，方法是遍歷每個塊并驗證散列和證明。

resolve_conflicts() 是一個遍歷我們所有鄰居節點的方法，下載它們的鏈并使用上面的方法驗證它們。 如果找到一個長度大于我們的有效鏈條，我們就取代我們的鏈條。

我們將兩個端點注冊到我們的API中，一個用于添加相鄰節點，另一個用于解決沖突：

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，并在你的網絡上啟動不同的節點。 或者使用同一臺機器上的不同端口啟動進程。 我在我的機器上，不同的端口上創建了另一個節點，并將其注冊到當前節點。 因此，我有兩個節點：http://localhost:5000 和 http://localhost:5001。 注冊一個新節點：

然后我在節點 2 上挖掘了一些新的塊，以確保鏈條更長。 之后，我在節點1上調用 GET /nodes/resolve，其中鏈由一致性算法取代：

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，并討論一些可以讓區塊鏈進行生產的方法。

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