第python區(qū)塊鏈基本原型簡版實現(xiàn)示例目錄說明引言區(qū)塊區(qū)塊頭區(qū)塊鏈總結(jié)

說明

本文根據(jù)/liuchengxu/blockchain-tutorial的內(nèi)容，用python實現(xiàn)的，但根據(jù)個人的理解進行了一些修改，大量引用了原文的內(nèi)容。文章末尾有本節(jié)完整源碼實現(xiàn)地址。

引言

區(qū)塊鏈是21世紀最具革命性的技術(shù)之一，它仍然處于不斷成長的階段，而且還有很多潛力尚未顯現(xiàn)。本質(zhì)上，區(qū)塊鏈只是一個分布式數(shù)據(jù)庫而已。不過，使它獨一無二的是，區(qū)塊鏈是一個公開的數(shù)據(jù)庫，而不是一個私人數(shù)據(jù)庫，也就是說，每個使用它的人都有一個完整或部分的副本。只有經(jīng)過其他數(shù)據(jù)庫管理員的同意，才能向數(shù)據(jù)庫中添加新的記錄。此外，也正是由于區(qū)塊鏈，才使得加密貨幣和智能合約成為現(xiàn)實。

在本系列文章中，我們將實現(xiàn)一個簡化版的區(qū)塊鏈，并基于它來構(gòu)建一個簡化版的加密貨幣。

區(qū)塊

首先從區(qū)塊談起。在區(qū)塊鏈中，真正存儲有效信息的是區(qū)塊（block）。而在比特幣中，真正有價值的信息就是交易（transaction）。實際上，交易信息是所有加密貨幣的價值所在。除此以外，區(qū)塊還包含了一些技術(shù)實現(xiàn)的相關(guān)信息，比如版本，當前時間戳和前一個區(qū)塊的哈希。

不過，我們要實現(xiàn)的是一個簡化版的區(qū)塊鏈，而不是一個像比特幣技術(shù)規(guī)范所描述那樣成熟完備的區(qū)塊鏈。所以在我們目前的實現(xiàn)中，區(qū)塊僅包含了部分關(guān)鍵信息，它的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：

classBlock(object):

"""ABlock

Attributes:

_magic_no(int):Magicnumber

_block_header(Block):HeaderofthepreviousBlock.

_transactions(Transaction):transactionsofthecurrentBlock.

MAGIC_NO=0xBCBCBCBC

def__init__(self,block_header,transactions):

self._magic_no=self.MAGIC_NO

self._block_header=block_header

self._transactions=transactions

字段解釋_magic_no魔數(shù)_block_header區(qū)塊頭_transactions交易

這里的_magic_no,_block_header,_transactions,也是比特幣區(qū)塊的構(gòu)成部分，這里我們簡化了一部分信息。在真正的比特幣中，區(qū)塊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：

FieldDescriptionSizeMagicnovaluealways0xD9B4BEF94bytesBlocksizenumberofbytesfollowinguptoendofblock4bytesBlockheaderconsistsof6items80bytesTransactioncounterpositiveintegerVI=VarInt1-9bytestransactionsthe(nonempty)listoftransactions-manytransactions

區(qū)塊頭

classBlockHeader(object):

"""ABlockHeader

Attributes:

timestamp(str):CreationtimestampofBlock

prev_block_hash(str):HashofthepreviousBlock.

hash(str):HashofthecurrentBlock.

hash_merkle_root(str):Hashofthemerkle_root.

height(int):HeightofBlock

nonce(int):A32bitarbitraryrandomnumberthatistypicallyusedonce.

def__init__(self,hash_merkle_root,height,pre_block_hash=''):

self.timestamp=str(time.time())

self.prev_block_hash=pre_block_hash

self.hash=None

self.hash_merkle_root=hash_merkle_root

self.height=height

self.nonce=None

字段解釋timestamp當前時間戳，也就是區(qū)塊創(chuàng)建的時間prev_block_hash前一個塊的哈希，即父哈希hash當前塊頭的哈希hash_merkle_root區(qū)塊存儲的交易的merkle樹的根哈希

我們這里的timestamp，prev_block_hash,Hash，hash_merkle_root,在比特幣技術(shù)規(guī)范中屬于區(qū)塊頭（blockheader），區(qū)塊頭是一個單獨的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

完整的比特幣的區(qū)塊頭（blockheader）結(jié)構(gòu)如下：

FieldPurposeUpdatedwhenSize(Bytes)VersionBlockversionnumberYouupgradethesoftwareanditspecifiesanewversion4hashPrevBlock256-bithashofthepreviousblockheaderAnewblockcomesin32hashMerkleRoot256-bithashbasedonallofthetransactionsintheblockAtransactionisaccepted32TimeCurrenttimestampassecondssince1970-01-01T00:00UTCEveryfewseconds4BitsCurrenttargetincompactformatThedifficultyisadjusted4Nonce32-bitnumber(startsat0)Ahashistried(increments)4

我們的簡化版的區(qū)塊頭里，hash和hash_merkle_root是需要計算的。hash_merkle_root暫且不管留空，它是由區(qū)塊中的交易信息生成的merkle樹的根哈希。

而hash的計算如下:

defset_hash(self):

Sethashoftheheader

data_list=[str(self.timestamp),

str(self.prev_block_hash),

str(self.hash_merkle_root),

str(self.height),

str(self.nonce)]

data=''.join(data_list)

self.hash=sum256_hex(data)

區(qū)塊鏈

有了區(qū)塊，下面讓我們來實現(xiàn)區(qū)塊鏈。本質(zhì)上，區(qū)塊鏈就是一個有著特定結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)庫，是一個有序，每一個塊都連接到前一個塊的鏈表。也就是說，區(qū)塊按照插入的順序進行存儲，每個塊都與前一個塊相連。這樣的結(jié)構(gòu)，能夠讓我們快速地獲取鏈上的最新塊，并且高效地通過哈希來檢索一個塊。

classBlockChain(object):

def__init__(self):

self.blocks=[]

這就是我們的第一個區(qū)塊鏈！就是一個list。

我們還需要一個添加區(qū)塊的函數(shù):

defadd_block(self,transactions):

addablocktoblock_chain

last_block=self.blocks[-1]

prev_hash=last_block.get_header_hash()

height=len(self.blocks)

block_header=BlockHeader('',height,prev_hash)

block=Block(block_header,transactions)

block.set_header_hash()

self.blocks.append(block)

為了加入一個新的塊，我們必須要有一個已有的塊，但是，初始狀態(tài)下，我們的鏈是空的，一個塊都沒有！所以，在任何一個區(qū)塊鏈中，都必須至少有一個塊。這個塊，也就是鏈中的第一個塊，通常叫做創(chuàng)世塊（genesisblock）.讓我們實現(xiàn)一個方法來創(chuàng)建創(chuàng)世塊：

#classBlockChain

defnew_genesis_block(self):

ifnotself.blocks:

genesis_block=Block.new_genesis_block('genesis_block')

genesis_block.set_header_hash()

self.blocks.append(genesis_block)

#classBlock

@classmethod

defnew_genesis_block(cls,coin_base_tx):

block_header=BlockHeader.new_genesis_block_header()

returncls(block_header,coin_base_tx)

#classBlockHeader

@classmethod

defnew_genesis_block_header(cls):

NewGenesisBlockcreatesandreturnsgenesisBlock

returncls('',0,'')

上面分別對應三個函數(shù)分別對應鏈中創(chuàng)世塊生成，創(chuàng)世塊生成，和創(chuàng)世塊頭的生成。

創(chuàng)世塊高度為0。這里我們暫時還沒有交易類，交易暫時用字符串代替。prev_block_hash和hash_merkle_root都暫時留空。

讓BlockChain支持迭代

#classBlockChain

def__getitem__(self,index):

ifindexlen(self.blocks):

returnself.blocks[index]

else:

raiseIndexError('Indexisoutofrange')

最后再進行簡單的測試:

defmain():

bc=BlockChain()

bc.new_genesis_block()

bc.add_block('Send1BTCtoB')

bc.add_block('Send2BTCtoB')

forblockinbc:

print(block)

if__name__=="__main__":

main()

輸出:

Block(_block_header=BlockHeader(timestamp='1548150457.22',hash_merkle_root='',prev_block_hash='',hash='f91f638a9a2b4caf241112d3bc92c9168cc9d52207a5580b3a549ed5343e2ed3',nonce=None,height=0))

Block(_block_header=BlockHeader(timestamp='1548150457.22',hash_merkle_root='',prev_block_hash='f91f638a9a2b4caf241112d3bc92c9168cc9d52207a5580b3a549ed5343e2ed3',hash='d21570e36f0c6f75c112d98416ca4ffae14e5cf02492bea5a7f8c398c1d458ca',nonce=None,height=1))

Block(_block_header=