对数字货币的崛起感到新奇的我们，一定想知道其背后的技术——区块链是怎样实现的。本篇文章扣丁学堂区块链培训小编给读者们分享一下用Django实现一个可运行的区块链应用，感兴趣的小伙伴就随小编来了解一下吧。
准备工作
本文要求读者对Python有基本的理解，能读写基本的Python，并且需要对HTTP请求有基本的了解。
我们知道区块链是由区块的记录构成的不可变、有序的链结构，记录可以是交易、文件或任何你想要的数据，重要的是它们是通过哈希值（hashes）链接起来的。
环境准备
环境准备，确保已经安装Python3.5, pip , django, requests，urllib，json，hashlib
安装方法：
pip install django requests
同时还需要一个HTTP客户端，比如Postman，cURL或其它客户端，本文以Postman为例。
开始创建Blockchain
通过django-admin startproject block创建一个block的项目，在项目中创建一个demo项目django-admin startproject demo。
Blockchain类
在views中创建一个Blockchain类，在构造函数中创建了两个列表，一个用于储存区块链，一个用于储存交易。
以下是Blockchain类的框架：
class Blockchain(object):
def __init__(self):
self.chain = []
self.current_transactions = []
def new_block(self):
# Creates a new Block and adds it to the 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
Blockchain类用来管理链条，它能存储交易，加入新块等，下面我们来进一步完善这些方法。
块结构
每个区块包含属性：索引（index），Unix时间戳（timestamp），交易列表（transactions），工作量证明（稍后解释）以及前一个区块的Hash值。
以下是一个区块的结构：
block = {
'index': 1,
'timestamp': 1506057125.900785,
'transactions': [
{
'sender': "8527147fe1f5426f9dd545de4b27ee00",
'recipient': "a77f5cdfa2934df3954a5c7c7da5df1f",
'amount': 5,
}
],
'proof': 324984774000,
'previous_hash': "2cf24dba5fb0a30e26e83b2ac5b9e29e1b161e5c1fa7425e73043362938b9824"
}
到这里，区块链的概念就清楚了，每个新的区块都包含上一个区块的Hash，这是关键的一点，它保障了区块链不可变性。如果攻击者破坏了前面的某个区块，那么后面所有区块的Hash都会变得不正确。不理解的话，慢慢消化，可参考区块链记账原理。
加入交易
接下来我们需要添加一个交易，来完善下new_transaction方法
class Blockchain(object):
...
def new_transaction(self, sender, recipient, amount):
"""
生成新交易信息，信息将加入到下一个待挖的区块中
: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
方法向列表中添加一个交易记录，并返回该记录将被添加到的区块(下一个待挖掘的区块)的索引，等下在用户提交交易时会有用。
创建新块
当Blockchain实例化后，我们需要构造一个创世块（没有前区块的第一个区块），并且给它加上一个工作量证明。
每个区块都需要经过工作量证明，俗称挖矿，稍后会继续讲解。
为了构造创世块，我们还需要完善new_block(), new_transaction() 和hash() 方法：
class Blockchain(object):
def __init__(self):
self.chain = []
self.current_transactions = []
self.new_block(previous_hash=1, proof=100)
self.nodes = set()
def new_block(self,proof,previous_hash= None):
block = {
'index': len(self.chain) + 1,
'timestamp': time(),
'transactions': self.current_transactions,
'proof':proof ,
'previous_hash': previous_hash or self.hash(self.chain[-1]),
}
self.current_transactions = []
self.chain.append(block)
return block
def new_transaction(self,sender,recipient,amount):
self.current_transactions.append({
'sender': sender,
'recipient': recipient,
'amount': amount,
})
return self.last_block['index']+1
@staticmethod
def hash(block):
block_string = json.dumps(block, sort_keys=True).encode()
return hashlib.sha256(block_string).hexdigest()
通过上面的代码和注释可以对区块链有直观的了解，接下来我们看看区块是怎么挖出来的。
理解工作量证明
新的区块依赖工作量证明算法（PoW）来构造。PoW的目标是找出一个符合特定条件的数字， 这个数字很难计算出来，但容易验证 。这就是工作量证明的核心思想。
为了方便理解，举个例子：
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。设变量 x = 5，求 y 的值？
用Python实现如下：
from hashlib import sha256
x = 5
y = 0
while sha256(str(x*y).encode()).hexdigest()[:4] != "0000":
y += 1
print(y,sha256(str(x*y).encode()).hexdigest()[:4])
print(y)
在比特币中，使用称为Hashcash的工作量证明算法，它和上面的问题很类似。矿工们为了争夺创建区块的权利而争相计算结果。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，会获得比特币奖励。
当然，在网络上非常容易验证这个结果。
实现工作量证明
让我们来实现一个相似PoW算法，规则是：寻找一个数 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。
import hashlib
import json
from time import time
from uuid import uuid4
class Blockchain(object):
...
def last_block(self):
return self.chain[-1]
def proof_of_work(self, last_proof):
proof = 0
while self.valid_proof(last_proof, proof) is False:
proof += 1
return proof
@staticmethod
def valid_proof(last_proof, proof):
guess = str(last_proof*proof).encode()
guess_hash = hashlib.sha256(guess).hexdigest()
return guess_hash[:5] == "00000"
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。
Blockchain作为API接口
我们将使用Python django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，现在我们来让来试一下：
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“django web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：
node_identifier = str(uuid4()).replace('-', '')
Instantiate the Blockchain
blockchain = Blockchain()
def mine(request):
last_block = blockchain.last_block
last_proof = last_block['proof']
proof = blockchain.proof_of_work(last_proof)
print(proof)
blockchain.new_transaction(
sender="0",
recipient=node_identifier,
amount=1,
)
# Forge the new Block by adding it to the chain
block = blockchain.new_block(proof)
response = {
'message': "New Block Forged",
'index': block['index'],
'transactions': block['transactions'],
'proof': block['proof'],
'previous_hash': block['previous_hash'],
}
print(response)
return HttpResponse(json.dumps(response))
def new_transaction(request):
values = json.loads(request.body.decode('utf-8'))
required = ['sender', 'recipient', 'amount']
if not all(k in values for k in required):
return 'Missing values'
index = blockchain.new_transaction(values['sender'], values['recipient'], values['amount'])
print(index)
response = {'message': 'Transaction will be added to Block %s'%index}
return HttpResponse(json.dumps(response))
def full_chain(request):
response = {
'chain': blockchain.chain,
'length': len(blockchain.chain),
}
return HttpResponse(json.dumps(response))
添加url路由节点：运行服务
from demo import views
urlpatterns = [
url(r'^admin/', admin.site.urls),
url(r'^mine', views.mine),
url(r'^transactions/new/', views.new_transaction),
url(r'^chain/', views.full_chain),
url(r'^register', views.register_nodes),
url(r'^resolve', views.consensus),
]
运行服务
python manage.py runserver 127.0.0.1:8000
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
}
向服务添加一个交易
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
def proof_of_work(self, last_proof):
proof = 0
while self.valid_proof(last_proof, proof) is False:
proof += 1
return proof
@staticmethod
def valid_proof(last_proof, proof):
guess = str(last_proof*proof).encode()
guess_hash = hashlib.sha256(guess).hexdigest()
return guess_hash[:5] == "00000"
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。
运行区块链
你可以使用cURL 或Postman 去和API进行交互
在挖了两次矿之后，就有3个块了
{ "chain": [
{
"transactions": [],
"proof": 100,
"timestamp": 1520314374.7261052,
"index": 1,
"previous_hash": 1
},
{
"transactions": [
{
"sender": "0",
"recipient": "27d4aae55b2848dcae52bc722d86e0c3",
"amount": 1
}
],
"proof": 1771087,
"timestamp": 1520314389.5019505,
"index": 2,
"previous_hash": "32fa73f48240160257e95fdf8422c6df734b5d7e8ceb69a41a5578643c1d36fb"
},
{
"transactions": [
{
"sender": "d4ee26eee15148ee92c6cd394edd9705",
"recipient": "5",
"amount": 500
},
{
"sender": "0",
"recipient": "27d4aae55b2848dcae52bc722d86e0c3",
"amount": 1
}
],
"proof": 100,
"timestamp": 1520314592.4745598,
"index": 3,
"previous_hash": "e6b1be488e0ed20fe3ec51135e5fafb4dfffaa28a190967106a5dd3e89e4b3aa"
}
],
"length": 3
}
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：
/register 接收URL形式的新节点列表
/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：
from urllib.parse import urlparse
...
class Blockchain(object):
def __init__(self):
...
self.nodes = set()
...
def register_node(self, address):
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
前面提到，冲突是指不同的节点拥有不同的链，为了解决这个问题，规定最长的、有效的链才是最终的链，换句话说，网络中有效最长链才是实际的链。
我们使用一下的算法，来达到网络中的共识
class Blockchain(object):
def __init__(self):
...
def valid_chain(self, chain):
last_block = chain[0]
current_index = 1
while current_index < len(chain):
block = chain[current_index]
if block['previous_hash'] != self.hash(last_block):
return False
# Check that the Proof of Work is correct
if not self.valid_proof(last_block['proof'], block['proof']):
return False
last_block = block
current_index += 1
return True
def resolve_conflicts(self):
neighbours = self.nodes
new_chain = None
max_length = len(self.chain)
for node in neighbours:
response = requests.get('http://%s/chain' %node)
if response.status_code == 200:
length = json.loads(response)['length']
chain = json.loads(response)['chain']
# Check if the length is longer and the chain is valid
if length > 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() 用来检查是否是有效链，遍历每个块验证hash和proof.
第2个方法 resolve_conflicts() 用来解决冲突，遍历所有的邻居节点，并用上一个方法检查链的有效性， 如果发现有效更长链，就替换掉自己的链
在url中添加两个路由，一个用来注册节点，一个用来解决冲突。
from demo import views
urlpatterns = [
url(r'^register', views.register_nodes),
url(r'^resolve', views.consensus),
]
你可以在不同的机器运行节点，或在一台机机开启不同的网络端口来模拟多节点的网络，这里在同一台机器开启不同的端口演示，在不同的终端运行一下命令。
然后在节点8100节点上挖两个块，确保是更长的链，然后在节点8000节点上访问接口/resolve ,这时节点8100的链会通过共识算法被节点8000节点的链取代。
想要了解更多关于区块链方面内容的小伙伴，请关注扣丁学堂区块链培训官网、微信等平台，扣丁学堂IT职业在线学习教育有专业的区块链讲师为您指导，此外扣丁学堂老师精心推出的区块链视频教程定能让你快速掌握区块链从入门到精通开发实战技能。
