最近学了区块链的基本概念，不如亲自搭建一个区块链试一试。本文教你搭建一个简易的区块链。

区块链结构 Blockchain Structure

区块链是由一个个区块构成，每个区块中保存着一系列数据。鉴于我们要搭建一个简易的区块链，暂且在每个区块中存放下列数据：

  • index：记录当前区块高度/区块编号；
  • timestamp：记录当前区块的时间戳，即当前区块是何时被挖出的；
  • proof：记录当前区块的验证数据，类似于PoW中的随机数；
  • previous_hash：记录前一区块的哈希值。

当然，之后也可以在区块中加入交易信息等其他数据。

构建区块链 Build a Blockchain

为了更好的维护区块链，我们构造一个Blockchain类，将必要的函数都存放到这个类中。具体的函数如下：

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class Blockchain:
    def __init__(self):
        # 初始化
        pass
    
    def create_block(self, proof, previous_hash):
        # 使用proof和前一区块的哈希值previous_hash创造一个新的区块
        pass

    def get_previous_block(self):
        # 返回上一个区块信息
        pass
    
    def proof_of_work(self, previous_proof):
        # 定义一个PoW挖块方法
        pass

    def hash(self, block):
        # 计算给定区块的哈希值
        pass
    
    def is_chain_valid(self, chain):
        # 给定一个区块链，判断该区块链是否有效
        pass

接下来我们分别完成每一个函数：

  • __init__(self): 在初始化函数中，设定一个数组存放所有的区块信息，并且自动生成第一个区块（genesis block）：

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    def __init__(self):
        self.chain = []
        self.create_block(proof = 1, previous_hash = '0')

  • def create_block(self, proof, previous_hash):根据proof和previous_hash构造一个新的区块，并把新区块加入已有区块链：

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    import datetime # 需要使用datetime库获取当前时间戳
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    def create_block(self, proof, previous_hash):
        block = {'index': len(self.chain) + 1,
                 'timestamp': str(datetime.datetime.now()),
                 'proof': proof,
                 'previous_hash': previous_hash} 
        # block中存放新建区块的数据
        self.chain.append(block)
        return block

  • def get_previous_block(self):返回上一区块中的数据：

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    def get_previous_block(self):
        return self.chain[-1]

  • def proof_of_work(self, previous_proof):定义一个PoW算法。假设前一区块的proof为 $x$ ，寻找当前区块的proof $y$ 使得 $y2-x2$ 经过sha256算法后前4位都是0。注意，这里用的算法和比特币中的算法不同。你也可以定义自己的PoW算法。

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    import hashlib # 需要使用hashlib库计算sha256哈希值
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    def proof_of_work(self, previous_proof):
        new_proof = 1
        check_proof = False
        # 通过暴力穷举，proof从1开始，直到找到符合条件的proof返回
        while check_proof is False:
        	hash_operation = hashlib.sha256(str(new_proof**2 - previous_proof**2).encode()).hexdigest()
            if hash_operation[:4] == '0000':
                check_proof = True
            else:
                new_proof += 1
        return new_proof

  • def hash(self, block):返回给定区块的哈希值：

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    import json # 需要使用json库将python数据转化为json字符串
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    def hash(self, block):
        encoded_block = json.dumps(block, sort_keys = True).encode()
        return hashlib.sha256(encoded_block).hexdigest()

  • def is_chain_valid(self, chain): 给定一个区块链，验证每个区块是否有效：1）验证每个区块中previous_hash是否和前一区块的哈希值相同；2）验证每个区块中的proof是否符合PoW规则：

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    def is_chain_valid(self, chain):
        previous_block = chain[0]
        block_index = 1 # 从第二个区块（index为1）开始验证
        while block_index < len(chain):
            block = chain[block_index]
            # 判断previous_hash是否符合条件
            if block['previous_hash'] != self.hash(previous_block):
                return False
            # 验证proof是否符合条件
            previous_proof = previous_block['proof']
            proof = block['proof']
            hash_operation = hashlib.sha256(str(proof**2 - previous_proof**2).encode()).hexdigest()
            if hash_operation[:4] != '0000':
                return False
            previous_block = block
            block_index += 1
        return True

至此，基本的区块链结构已经完成，接下来要想办法如何挖出一个区块。

挖一个区块 Mine a block

刚刚我们构建好了Blockchain类，是时候运行一个实例了：

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blockchain = Blockchain()

为了能够在本地运行一个区块链以及检查区块链的运行状态，我们需要用到flask库和Postman软件。

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from flask import Flask, jsonify
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app = Flask(__name__) # 创建一个Web App

flask快速上手请看这里。别担心，我们只用到几个非常基本的功能。

为了能在现有区块链上挖一个块，我们定义一个mine_block函数。注意，在实际比特币网络中，挖矿肯定要输入交易信息等其他数据。这里为了简化便没有输入数据。

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# Mining a new block
@app.route('/mine_block', methods = ['GET'])
def mine_block():
    previous_block = blockchain.get_previous_block()
    previous_proof = previous_block['proof']
    # 计算新区块的proof
    proof = blockchain.proof_of_work(previous_proof)
    previous_hash = blockchain.hash(previous_block)
    # 创建一个新区块
    block = blockchain.create_block(proof, previous_hash)
    # response为返回信息，告知挖块成功，并返回当前区块中的数据
    response = {'message': 'Congratulations, you just mined a block',
                'index': block['index'],
                'timestamp': block['timestamp'],
                'proof': block['proof'],
                'previous_hash': block['previous_hash']}
    # jsonify把python数据变为json类型，200为http返回值，表示一切正常
    return jsonify(response), 200

我们可以再构建两个函数：get_chain()用于返回当前区块链的信息，is_valid()用于验证现有区块链是否有效/是否被篡改过：

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# Getting the full Blockchain
@app.route('/get_chain', methods = ['GET'])
def get_chain():
    # 返回区块链中所有区块信息，以及当前区块的高度
    response = {'chain': blockchain.chain,
                'length': len(blockchain.chain)}
    return jsonify(response), 200

# Checking if the blockchain is valid or not
@app.route('/is_valid', methods = ['GET'])
def is_valid():
    is_valid = blockchain.is_chain_valid(blockchain.chain)
    if is_valid:
        response = {'message': 'All good. The Blockchain is valid.'}
    else:
        response = {'message': 'Houston, we have a problem. The Blockchain is not valid.'}
    # 这里返回的信息可以自己写啦，比如“有内鬼，终止交易”hhh
    return jsonify(response), 200

最后，是时候让一切都跑起来了：

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# Running the app
app.run(host = '0.0.0.0', port = 5000)

和区块链进行交互

代码运行起来之后，可以在控制台看到如下信息：

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* Running on http://0.0.0.0:5000/

打开Postman，点击Create a request，即可和区块链进行交互了。（没有Postman用浏览器也可以）

区块链刚创建的时候，应该只有一个创世区块。输入 http://127.0.0.1:5000/get_chain 按下回车可以发现，返回了创世区块的信息，并且当前区块高度为1。

我们可以试着多挖几个区块，输入http://127.0.0.1:5000/get_chain 按下回车，每按一次回车就会自动挖一个区块。（这里我按到index为8了，你甚至可以一直按回车等区块高度到100）

然后我们再看看区块状态，这时会返回区块链上所有的区块信息，并且告诉我们区块高度为8：

最后我们再试试该区块链是否有效，输入http://127.0.0.1:5000/is_valid：

一切正常，区块链是有效的。

至此，我们已经在本地搭建了一个简易的区块链，希望你对区块链有更近一步的了解。当然，你也可以试着在区块中加入一些其他的数据，或者多写一些其他和区块链交互函数。如果你有任何疑问，欢迎在下方评论留言～

Q：也许你会发现我们搭建的区块链中，每个区块的哈希值并不是以若干个0开头的，这是为什么？

A：在proof_of_work()函数中，我们定义的PoW算法是计算两个proof之间运算结果的哈希值是否为4个0开头，而不是整个区块的哈希值是以若干个0开头。你可以试着改一改其中的PoW算法，让区块哈希值以4个0开头。

另：代码排版有些乱，正在调整ing