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你是否会和我一样，对加密数字货币底层的区块链技术非常感兴趣，特别想了解他们的运行机制。
但是学习区块链技术并非一帆风顺，我看多了大量的视频教程还有各种课程，最终的感觉就是真正可用的实战课程太少。
我喜欢在实践中学习，尤其喜欢一代码为基础去了解整个工作机制。如果你我一样喜欢这种学习方式，当你学完本教程时，你将会知道区块链技术是如何工作的。
写在开始之前记住，区块链是一个 不可变的、有序的 被称为块的记录链。它们可以包含交易、文件或任何您喜欢的数据。但重要的是，他们用哈希 一起被链接在一起。
如果你不熟悉哈希，这里是一个解释。
该指南的目的是什么?
你可以舒服地阅读和编写基础的 python，因为我们将通过 http 与区块链进行讨论，所以你也要了解 http 的工作原理。
我需要准备什么?
确定安装了 python 3.6 + (还有 pip) ，你还需要安装 flask、 requests 库：
pip install flask==0.12.2 requests==2.18.4
对了, 你还需要一个支持http的客户端, 比如 postman 或者 curl，其他也可以。
源码在哪儿?
可以点击这里
step 1: 创建一个区块链打开你最喜欢的文本编辑器或者ide, 我个人比较喜欢 pycharm. 新建一个名为blockchain.py的文件。 我们将只用这一个文件就可以。但是如果你还是不太清楚, 你也可以参考 源码.
描述区块链我们要创建一个 blockchain 类 ，他的构造函数创建了一个初始化的空列表（要存储我们的区块链），并且另一个存储交易。下面是我们这个类的实例:
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
我们的 blockchain 类负责管理链式数据，它会存储交易并且还有添加新的区块到链式数据的method。让我们开始扩充更多method。
块是什么样的 ?每个块都有一个 索引，一个 时间戳（unix时间戳），一个事务列表， 一个 校验(稍后详述) 和 前一个块的散列 。
下面是一个block的例子 ：
blockchain.py
block = { 'index': 1, 'timestamp': 1506057125.900785, 'transactions': [ { 'sender': 8527147fe1f5426f9dd545de4b27ee00, 'recipient': a77f5cdfa2934df3954a5c7c7da5df1f, 'amount': 5, } ], 'proof': 324984774000, 'previous_hash': 2cf24dba5fb0a30e26e83b2ac5b9e29e1b161e5c1fa7425e73043362938b9824}
在这一点上，一个 区块链 的概念应该是明显的 - 每个新块都包含在其内的前一个块的 散列 。 这是至关重要的，因为这是 区块链 不可改变的原因：如果攻击者损坏 区块链 中较早的块，则所有后续块将包含不正确的哈希值。
这有道理吗？ 如果你还没有想通，花点时间仔细思考一下 - 这是区块链背后的核心理念。
添加交易到区块我们将需要一个添加交易到区块的方式。我们的 new_transaction() 方法的责任就是这个， 并且它非常的简单：
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: <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
new_transaction() 方法添加了交易到列表，它返回了交易将被添加到的区块的索引---讲开采下一个这对稍后对提交交易的用户有用。
创建新的区块当我们的 blockchain 被实例化后，我们需要将 创世 区块（一个没有前导区块的区块）添加进去进去。我们还需要向我们的起源块添加一个 证明，这是挖矿的结果(或工作证明)。 我们稍后会详细讨论挖矿。
除了在构造函数中创建 创世 区块外，我们还会补全 new_block() 、 new_transaction() 和 hash() 函数：
blockchain.py
import hashlibimport jsonfrom time import timeclass blockchain(object): def __init__(self): self.current_transactions = [] self.chain = [] # 创建创世区块 self.new_block(previous_hash=1, proof=100) def new_block(self, proof, previous_hash=none): 创建一个新的区块到区块链中 :param proof: <int> 由工作证明算法生成的证明 :param previous_hash: (optional) <str> 前一个区块的 hash 值 :return: <dict> 新区块 block = { 'index': len(self.chain) + 1, 'timestamp': time(), 'transactions': self.current_transactions, 'proof': proof, 'previous_hash': previous_hash or self.hash(self.chain[-1]), } # 重置当前交易记录 self.current_transactions = [] self.chain.append(block) return block def new_transaction(self, sender, recipient, amount): 创建一笔新的交易到下一个被挖掘的区块中 :param sender: <str> 发送人的地址 :param recipient: <str> 接收人的地址 :param amount: <int> 金额 :return: <int> 持有本次交易的区块索引 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): 给一个区块生成 sha-256 值 :param block: <dict> block :return: <str> # 我们必须确保这个字典（区块）是经过排序的，否则我们将会得到不一致的散列 block_string = json.dumps(block, sort_keys=true).encode() return hashlib.sha256(block_string).hexdigest()
上面的代码应该是直白的 --- 为了让代码清晰，我添加了一些注释和文档说明。 我们差不多完成了我们的区块链。 但在这个时候你一定很疑惑新的块是怎么被创建、锻造或挖掘的。
工作量证明算法使用工作量证明（pow）算法，来证明是如何在区块链上创建或挖掘新的区块。pow 的目标是计算出一个符合特定条件的数字，这个数字对于所有人而言必须在计算上非常困难，但易于验证。这是工作证明背后的核心思想。
我们将看到一个简单的例子帮助你理解：
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 x = 5，求y 。
用 python 实现：
from hashlib import sha256x = 5y = 0 # we don't know what y should be yet...while sha256(f'{x*y}'.encode()).hexdigest()[-1] != 0: y += 1print(f'the solution is y = {y}')
结果是：y = 21。因为，生成的 hash 值结尾必须为 0。
hash(5 * 21) = 1253e9373e...5e3600155e860
在比特币中，工作量证明算法被称为 hashcash ，它和上面的问题很相似，只不过计算难度非常大。这就是矿工们为了争夺创建区块的权利而争相计算的问题。 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，就会获得一定数量的比特币奖励（通过交易）。
验证结果，当然非常容易。
实现工作量证明
让我们来实现一个相似 pow 算法。规则类似上面的例子：
找到一个数字 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。
blockchain.py
import hashlibimport jsonfrom time import timefrom uuid import uuid4class 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: <int> :return: <int> 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: <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。
step 2: 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：
blockchain.py
import hashlibimport jsonfrom textwrap import dedentfrom time import timefrom uuid import uuid4from flask import flaskclass blockchain(object): ...# instantiate our node（实例化我们的节点）app = flask(__name__)# generate a globally unique address for this node（为这个节点生成一个全球唯一的地址）node_identifier = str(uuid4()).replace('-', '')# instantiate the blockchain（实例化 blockchain类）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), 200if __name__ == '__main__': app.run(host='0.0.0.0', port=5000)
简单的说明一下以上代码：
第 15 行：实例化节点。阅读更多关于 flask 内容。第 18 行：为节点创建一个随机的名称。.第 21 行：实例化 blockchain 类。第 24--26 行：创建 /mine 接口，get 方式请求。 第 28--30 行：创建 /transactions/new 接口，post 方式请求，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：服务器运行端口 5000 。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}
因为我们已经有了添加交易的方法，所以基于接口来添加交易就很简单了。让我们为添加事务写函数：
blockchain.py
import hashlibimport jsonfrom textwrap import dedentfrom time import timefrom uuid import uuid4from 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blockchain.py
import hashlibimport jsonfrom time import timefrom uuid import uuid4from 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。
step 3: 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* running on http://127.0.0.1:5000/ (press ctrl+c to quit)
让我们通过请求 http://localhost:5000/mine （ get ）来进行挖矿：
用 postman 发起一个 get 请求.
创建一个交易请求，请求 http://localhost:5000/transactions/new （post）,如图
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}
step 4: 一致性（共识）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：
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: <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.
实现共识算法就像先前讲的那样，当一个节点与另一个节点有不同的链时，就会产生冲突。 为了解决这个问题，我们将制定最长的有效链条是最权威的规则。换句话说就是：在这个网络里最长的链就是最权威的。 我们将使用这个算法，在网络中的节点之间达成共识。
blockchain.py
...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 = 1 while current_index 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
第一个方法 valid_chain() 负责检查一个链是否有效，方法是遍历每个块并验证散列和证明。
resolve_conflicts() 是一个遍历我们所有邻居节点的方法，下载它们的链并使用上面的方法验证它们。 如果找到一个长度大于我们的有效链条，我们就取代我们的链条。
我们将两个端点注册到我们的api中，一个用于添加相邻节点，另一个用于解决冲突：
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
在这一点上，如果你喜欢，你可以使用一台不同的机器，并在你的网络上启动不同的节点。 或者使用同一台机器上的不同端口启动进程。 我在我的机器上，不同的端口上创建了另一个节点，并将其注册到当前节点。 因此，我有两个节点：http://localhost:5000 和 http://localhost:5001。 注册一个新节点：
然后我在节点 2 上挖掘了一些新的块，以确保链条更长。 之后，我在节点1上调用 get /nodes/resolve，其中链由一致性算法取代：
这是一个包，去找一些朋友一起，以帮助测试你的区块链。
我希望本文能激励你创造更多新东西。我之所以对数字货币入迷，是因为我相信区块链会很快改变我们看待事物的方式，包括经济、政府、档案管理等。
更新：我计划在接下来的第2部分中继续讨论区块链交易验证机制，并讨论一些可以让区块链进行生产的方法。
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以上就是使用python 搭建自己的区块链的详细内容。