说明
本文根据https://github.com/liuchengxu/blockchain-tutorial的内容，用python实现的，但根据个人的理解进行了一些修改，大量引用了原文的内容。文章末尾有"本节完整源码实现地址"。
引言
区块链是 21 世纪最具革命性的技术之一，它仍然处于不断成长的阶段，而且还有很多潜力尚未显现。 本质上，区块链只是一个分布式数据库而已。 不过，使它独一无二的是，区块链是一个公开的数据库，而不是一个私人数据库，也就是说，每个使用它的人都有一个完整或部分的副本。 只有经过其他“数据库管理员”的同意，才能向数据库中添加新的记录。 此外，也正是由于区块链，才使得加密货币和智能合约成为现实。
在本系列文章中，我们将实现一个简化版的区块链，并基于它来构建一个简化版的加密货币。
区块
首先从 “区块” 谈起。在区块链中，真正存储有效信息的是区块（block）。而在比特币中，真正有价值的信息就是交易（transaction）。实际上，交易信息是所有加密货币的价值所在。除此以外，区块还包含了一些技术实现的相关信息，比如版本，当前时间戳和前一个区块的哈希。
不过，我们要实现的是一个简化版的区块链，而不是一个像比特币技术规范所描述那样成熟完备的区块链。所以在我们目前的实现中，区块仅包含了部分关键信息，它的数据结构如下：
|
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
|
class Block(object): """A Block Attributes: _magic_no (int): Magic number _block_header (Block): Header of the previous Block. _transactions (Transaction): transactions of the current Block. """ 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 | 解释 |
|---|---|
| _magic_no | 魔数 |
| _block_header | 区块头 |
| _transactions | 交易 |
这里的_magic_no, _block_header, _transactions, 也是比特币区块的构成部分，这里我们简化了一部分信息。在真正的比特币中，区块 的数据结构如下：
| Field | Description | Size |
|---|---|---|
| Magic no | value always 0xD9B4BEF9 | 4 bytes |
| Blocksize | number of bytes following up to end of block | 4 bytes |
| Blockheader | consists of 6 items | 80 bytes |
| Transaction counter | positive integer VI = VarInt | 1 - 9 bytes |
| transactions | the (non empty) list of transactions | -many transactions |
区块头
|
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
|
class BlockHeader(object): """ A BlockHeader Attributes: timestamp (str): Creation timestamp of Block prev_block_hash (str): Hash of the previous Block. hash (str): Hash of the current Block. hash_merkle_root(str): Hash of the merkle_root. height (int): Height of Block nonce (int): A 32 bit arbitrary random number that is typically used once. """ 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 | 解释 |
|---|---|
| timestamp | 当前时间戳，也就是区块创建的时间 |
| prev_block_hash | 前一个块的哈希，即父哈希 |
| hash | 当前块头的哈希 |
| hash_merkle_root | 区块存储的交易的merkle树的根哈希 |
我们这里的 timestamp，prev_block_hash, Hash，hash_merkle_root, 在比特币技术规范中属于区块头（block header），区块头是一个单独的数据结构。
完整的 比特币的区块头（block header）结构 如下：
| Field | Purpose | Updated when… | Size (Bytes) |
|---|---|---|---|
| Version | Block version number | You upgrade the software and it specifies a new version | 4 |
| hashPrevBlock | 256-bit hash of the previous block header | A new block comes in | 32 |
| hashMerkleRoot | 256-bit hash based on all of the transactions in the block | A transaction is accepted | 32 |
| Time | Current timestamp as seconds since 1970-01-01T00:00 UTC | Every few seconds | 4 |
| Bits | Current target in compact format | The difficulty is adjusted | 4 |
| Nonce | 32-bit number (starts at 0) | A hash is tried (increments) | 4 |
我们的简化版的区块头里，hash和hash_merkle_root是需要计算的。hash_merkle_root暂且不管留空，它是由区块中的交易信息生成的merkle树的根哈希。
而hash的计算如下:
|
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
|
def set_hash(self): """ Set hash of the header """ 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) |
区块链
有了区块，下面让我们来实现区块链。本质上，区块链就是一个有着特定结构的数据库，是一个有序，每一个块都连接到前一个块的链表。也就是说，区块按照插入的顺序进行存储，每个块都与前一个块相连。这样的结构，能够让我们快速地获取链上的最新块，并且高效地通过哈希来检索一个块。
|
1
2
3
|
class BlockChain(object): def __init__(self): self.blocks = [] |
这就是我们的第一个区块链！就是一个list。
我们还需要一个添加区块的函数:
|
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
|
def add_block(self, transactions): """ add a block to block_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) |
为了加入一个新的块，我们必须要有一个已有的块，但是，初始状态下，我们的链是空的，一个块都没有！所以，在任何一个区块链中，都必须至少有一个块。这个块，也就是链中的第一个块，通常叫做创世块（genesis block）. 让我们实现一个方法来创建创世块：
|
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
|
# class BlockChaindef new_genesis_block(self): if not self.blocks: genesis_block = Block.new_genesis_block('genesis_block') genesis_block.set_header_hash() self.blocks.append(genesis_block)# class Block@classmethoddef new_genesis_block(cls, coin_base_tx): block_header = BlockHeader.new_genesis_block_header() return cls(block_header, coin_base_tx)# class BlockHeader@classmethoddef new_genesis_block_header(cls): """ NewGenesisBlock creates and returns genesis Block """ return cls('', 0, '') |
上面分别对应三个函数分别对应链中创世块生成，创世块生成，和创世块头的生成。
创世块高度为0。这里我们暂时还没有交易类，交易暂时用字符串代替。prev_block_hash和hash_merkle_root都暂时留空。
让BlockChain支持迭代
|
1
2
3
4
5
6
|
# class BlockChaindef __getitem__(self, index): if index < len(self.blocks): return self.blocks[index] else: raise IndexError('Index is out of range') |
最后再进行简单的测试:
|
1
2
3
4
5
6
7
8
9
|
def main(): bc = BlockChain() bc.new_genesis_block() bc.add_block('Send 1 BTC to B') bc.add_block('Send 2 BTC to B') for block in bc: print(block)if __name__ == "__main__": main() |
输出:
|
1
2
3
|
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=BlockHeader(timestamp='1548150457.22', hash_merkle_root='', prev_block_hash='d21570e36f0c6f75c112d98416ca4ffae14e5cf02492bea5a7f8c398c1d458ca', hash='9c78f38ec78a0d492a27e69ab04a3e0ba07d70d31a1ef96d581e8198d9781bc0', nonce=None, height=2)) |
总结
我们创建了一个非常简单的区块链原型：它仅仅是一个数组构成的一系列区块，每个块都与前一个块相关联。真实的区块链要比这复杂得多。在我们的区块链中，加入新的块非常简单，也很快，但是在真实的区块链中，加入新的块需要很多工作：你必须要经过十分繁重的计算（这个机制叫做工作量证明），来获得添加一个新块的权力。并且，区块链是一个分布式数据库，并且没有单一决策者。因此，要加入一个新块，必须要被网络的其他参与者确认和同意（这个机制叫做共识（consensus））。还有一点，我们的区块链还没有任何的交易！
参考：
[1] basic-prototype
[2] 完整实现源码
以上就是python区块链基本原型简版实现示例的详细内容，更多关于python区块链基本原型的资料请关注服务器之家其它相关文章！
原文链接：https://blog.csdn.net/xiaobing1994/article/details/87967291
