但是完全搞懂並非易事，至少對我來講是這樣。我喜歡在實踐中學習，透過寫程式碼來學習技術會掌握得更牢固。透過構建一個區塊鏈可以加深對區塊鏈的理解。
準備工作
我們知道區塊鏈是由區塊的記錄構成的不可變、有序的鏈結構，記錄可以是交易、檔案或任何你想要的資料，重要的是它們是透過雜湊值（hashes）連結起來的。
閱讀這篇文章，要求讀者對Python有基本的瞭解，能編寫基本的Python程式碼，並且需要對HTTP請求有基本的理解。
環境準備
確保已經安裝Python3.6+, pip , Flask, requests。
安裝方法：
pip install Flask==0.12.2 requests==2.18.4
同時還需要一個HTTP客戶端，比如Postman，cURL或其它客戶端。
開啟你最喜歡的文字編輯器或者IDE，比如PyCharm，新建一個檔案 blockchain.py，本文所有的程式碼都寫在這一個檔案中。
BlockChain類
首先建立一個Blockchain類，在建構函式中建立了兩個列表，一個用於儲存區塊鏈，一個用於儲存交易。
以下是BlockChain類的框架：
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 admin@chaindaily def hash(block): # Hashes a admin@chaindaily def last_block(self): # Returns the last Block in the chainpass
Blockchain類用來管理鏈條，它能儲存交易，加入新塊等，下面我們來進一步完善這些方法。
塊結構
每個區塊包含屬性：索引（index），Unix時間戳（timestamp），交易列表（transactions），工作量證明（稍後解釋）以及前一個區塊的Hash值。
以下是一個區塊結構：
block = { 'index': 1, 'timestamp': 1506057125.900785, 'transactions': [{ 'sender': "8527147fe1f5426f9dd545de4b27ee00", 'recipient': "a77f5cdfa2934df3954a5c7c7da5df1f", 'amount': 5,}], 'proof': 324984774000, 'previous_hash': "2cf24dba5fb0a30e26e83b2ac5b9e29e1b161e5c1fa7425e73043362938b9824"}
到這裡，區塊鏈的概念就清楚了，每個新的區塊都包含上一個區塊的Hash，這是關鍵的一點，它保障了區塊鏈不可變性。如果攻擊者破壞了前面的某個區塊，那麼後面所有區塊的Hash都會變得不正確。
加入交易
接下來我們需要新增一個交易，來完善下new_transaction方法
class Blockchain(object):... def new_transaction(self, sender, recipient, amount):"""生成新交易資訊，資訊將加入到下一個待挖的區塊中: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
方法向列表中新增一個交易記錄，並返回該記錄將被新增到的區塊(下一個待挖掘的區塊)的索引，等下在使用者提交交易時會有用。
建立區塊
當Blockchain例項化後，我們需要構造一個創世塊（沒有前區塊的第一個區塊），並且給它加上一個工作量證明。
每個區塊都需要經過工作量證明，俗稱挖礦，稍後會繼續講解。
為了構造創世塊，我們還需要完善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):"""生成新塊: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):"""生成新交易資訊，資訊將加入到下一個待挖的區塊中: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):"""生成塊的 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()
透過上面的程式碼和註釋可以對區塊鏈有直觀的瞭解，接下來我們看看區塊是怎麼挖出來的。
理解工作量證明
新的區塊依賴工作量證明演算法（PoW）來構造。PoW的目標是找出一個符合特定條件的數字，這個數字很難計算出來，但容易驗證。這就是工作量證明的核心思想。
為了方便理解，我們舉個例子：
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。設變數 x = 5，求 y 的值？
用Python實現如下：
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}')
結果y=21，因為：
hash(5 * 21) = 1253e9373e...5e3600155e860
在比特幣中，使用稱為Hashcash的工作量證明演算法，它和上面的問題很類似。礦工們為了爭奪建立區塊的權利而爭相計算結果。通常，計算難度與目標字串需要滿足的特定字元的數量成正比，礦工算出結果後，會獲得比特幣獎勵。
當然，在網路上非常容易驗證這個結果。
實現工作量證明
讓我們來實現一個相似PoW演算法，規則是：
尋找一個數 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。
import hashlibimport jsonfrom time import timefrom uuid import uuid4class Blockchain(object):... def proof_of_work(self, last_proof):"""簡單的工作量證明:- 查詢一個 p' 使得 hash(pp') 以4個0開頭- p 是上一個塊的證明, p' 是當前的證明: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):"""驗證證明: 是否hash(last_proof, proof)以4個0開頭?: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。
二、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 返回整個
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：
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)
簡單的說明一下以上程式碼：
第15行: 建立一個節點.
第18行: 為節點建立一個隨機的名字.
第21行: 例項Blockchain類.
第24–26行: 建立/mine GET介面。
第28–30行: 建立/transactions/new POST介面,可以給介面傳送交易資料.
第32–38行: 建立 /chain 介面, 返回整個區塊鏈。
第40–41行: 服務執行在埠5000上.
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}
之前已經有新增交易的方法，基於介面來新增交易就很簡單了
import hashlibimport jsonfrom textwrap import dedentfrom time import timefrom uuid import uuid4from flask import Flask, jsonify, admin@chaindaily('/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
import hashlibimport jsonfrom time import timefrom uuid import uuid4from flask import Flask, jsonify, admin@chaindaily('/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) # 給工作量證明的節點提供獎勵.# 傳送者為 "0" 表明是新挖出的幣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
三、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* Runing on http://127.0.0.1:5000/ (Press CTRL+C to quit)
讓我們透過請求 http://localhost:5000/mine 來進行挖礦
透過post請求，新增一個新交易
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}
四、一致性（共識）
非常棒，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算法。
註冊節點
在實現一致性演算法之前，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形式的新節點列表
/nodes/resolve 執行一致性演算法，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：
...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)
我們用 set 來儲存節點，這是一種避免重複新增節點的簡單方法。
實現共識演算法
前面提到，衝突是指不同的節點擁有不同的鏈，為了解決這個問題，規定最長的、有效的鏈才是最終的鏈，換句話說，網路中有效最長鏈才是實際的鏈。
我們使用以下的演算法，來達到網路中的共識
...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): """共識演算法解決衝突使用網路中最長的鏈.:return: <bool> True 如果鏈被取代, 否則為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個方法 valid_chain() 用來檢查是否是有效鏈，遍歷每個塊驗證hash和proof。
第2個方法 resolve_conflicts() 用來解決衝突，遍歷所有的鄰居節點，並用上一個方法檢查鏈的有效性， 如果發現有效更長鏈，就替換掉自己的鏈。
讓我們新增兩個路由，一個用來註冊節點，一個用來解決衝突。
@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), admin@chaindaily('/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
你可以在不同的機器執行節點，或在一臺機機開啟不同的網路埠來模擬多節點的網路，這裡在同一臺機器開啟不同的埠演示，在不同的終端執行一下命令，就啟動了兩個節點：http://localhost:5000 和 http://localhost:5001
pipenv run python blockchain.pypipenv run python blockchain.py -p 5001
然後在節點2上挖兩個塊，確保是更長的鏈，然後在節點1上訪問介面/nodes/resolve ,這時節點1的鏈會透過共識演算法被節點2的鏈取代。
好啦，你可以邀請朋友們一起來測試你的。
