前言

比特幣在2017可謂是十足地火爆了初橘，那他背后依賴的區(qū)塊鏈技術(shù)又是如何實(shí)現(xiàn)的呢块差？當(dāng)下對區(qū)塊鏈人才的需求更是迫切中的迫切杖虾，或許在2018將火爆各個(gè)行業(yè)。

本次系列文章將從實(shí)際代碼出發(fā)蝇裤，來構(gòu)建你對區(qū)塊鏈技術(shù)的認(rèn)知徒探。

寫代碼之前

基礎(chǔ)技能要求

1.簡單的Python基礎(chǔ)
2.對HTTP請求有基本的認(rèn)知
3.面向?qū)ο缶幊趟季S
4.區(qū)塊鏈基本定義

開發(fā)環(huán)境準(zhǔn)備

1.Python3.6

Mac自帶的Python為2.7腊凶，這里我們需要重新安裝Python3.6
1.1確保電腦安裝了套件管理工具 Homebrew编矾，如果沒有請?jiān)诿钚袌?zhí)行以下命令安裝：

/usr/bin/ruby -e "$(curl -fsSL https://raw.githubusercontent.com/Homebrew/install/master/install)"

1.2 驗(yàn)證是否安裝成功,該命令也可以檢驗(yàn)電腦是否安裝了Homebrew

brew doctor

1.3安裝Python3.6

brew install python3

1.4查看Python路徑

// 系統(tǒng)自帶的python2.7，目錄為/usr/bin/python
which python
//brew安裝的python3.4,目錄為/usr/local/bin/python3
which python3

1.4查看Python路徑.png

1.5使用

// 系統(tǒng)自帶的
python a.py
//brew安裝的
python3 a.py

2.python包管理工具:Pip

一般我們安裝python3時(shí)自帶了Pip箱熬，如果沒有在命令行用HomeBrew安裝：

brew install pip

2.1 配置pipenv:

//安裝 pipenv
pip install pipenv 

//創(chuàng)建virtual env
pipenv --python=python3.6

//安裝依賴
pipenv install

3.Python IDE

這一項(xiàng)不是必須的类垦，我們可以在命令行vi或記事本里寫python代碼。當(dāng)然習(xí)慣使用IDE的童鞋也可以選擇使用IDE城须，筆者這里使用的Python IDE為Pycharm專業(yè)版(自行百度PoJie教程）

4.flask網(wǎng)絡(luò)框架

我們后期理解了區(qū)塊鏈的底層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)后蚤认，在網(wǎng)絡(luò)層實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)同步和網(wǎng)絡(luò)共識時(shí)會使用到flask網(wǎng)絡(luò)框架。這里糕伐，暫且提一下砰琢，本文內(nèi)容暫時(shí)不會用到。

5.接口調(diào)試工具

同時(shí)后期進(jìn)行區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)編程時(shí)還需要一個(gè)HTTP客戶端良瞧，比如Postman陪汽，cURL或其它客戶端。這里我使用的是Postman
)

廢話少說擼代碼

我們知道區(qū)塊鏈?zhǔn)怯幸粋€(gè)個(gè)區(qū)塊構(gòu)成褥蚯，而區(qū)塊內(nèi)又包含了基本的區(qū)塊信息和若干個(gè)交易信息挚冤，一個(gè)交易信息就是對一筆交易的結(jié)構(gòu)封裝(附帶了哈希值等值以防止交易被篡改)。我們今天就從區(qū)塊鏈的最下層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)交易開始層層分析赞庶，直到構(gòu)成一個(gè)完整的區(qū)塊鏈训挡。

打開Pycharm新建一個(gè)Python項(xiàng)目并新建一個(gè)文件：blockchain.py(使用Vi或記事本開發(fā)的直接新建該文件)

交易類

Transaction用來簡單描述一筆交易的主要信息

class Transaction: #交易類

    def __init__(self,
                 payer,   #付款方
                 recer,   #收款方
                 count):  #金額
        self.payer = payer
        self.recer = recer
        self.count = count
        self.timestamp = datetime.datetime.now()

    def __repr__(self):

        return str(self.payer) + " pay" + str(self.recer) + " " + str(self.count) + " in " + str(self.timestamp)

交易記錄類

ChaorsMessage類用來封裝一筆交易，并引入哈希加密機(jī)制防止交易數(shù)據(jù)與時(shí)間或者交易鏈被篡改歧强。

#交易鏈的簡單實(shí)現(xiàn)
ChaorsMessage
import datetime  #獲取時(shí)間的庫
import hashlib  #哈希函數(shù)庫
from Transaction import Transaction  #引入交易類

class ChaorsMessage: #交易記錄類

    def __init__(self, data):

        self.data = data   # 交易信息

        self.hash = None  #自身哈希
        self.prev_hash = None  #上一個(gè)交易記錄的哈希
        self.timestamp = datetime.datetime.now()
        self.payload_hash = self._hash_payload()    #鎖定哈希

    def _hash_payload(self):  #交易哈希

        return hashlib.sha256((str(self.timestamp) + str(self.data)).encode("utf-8")).hexdigest()

    def _hash_message(self):  #交易記錄哈希澜薄，鎖定交易(哈希再哈希)

        return hashlib.sha256((str(self.prev_hash) + str(self.payload_hash)).encode("utf-8")).hexdigest()

#密封，相當(dāng)于將交易信息封裝為一個(gè)帶哈希驗(yàn)證值的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 使得交易信息(包括交易數(shù)據(jù)和時(shí)間摊册，交易鏈接的順序)不能被修改
    def seal(self): 
        self.hash = self._hash_message()  #對應(yīng)數(shù)據(jù)鎖定

    def validate(self):  #驗(yàn)證交易記錄是否合法

        if self.payload_hash != self._hash_payload():
            raise InvalidMessage("交易數(shù)據(jù)與時(shí)間被修改" + str(self))

        if self.hash != self._hash_message():  #判斷消息鏈
            raise InvalidMessage("交易的哈希鏈接被修改" + str(self))

        return "data ok" + str(self)

    def __repr__(self):  #返回對象基本信息

        mystr = "hash:{}, prev_hash:{}, data:{}".format(self.hash, self.prev_hash, self.data)
        return mystr

    def link(self, message):  #鏈接
        self.prev_hash = message.hash

class InvalidMessage(Exception):  #異常處理類

    def __init__(self, *args, **kwargs):
        Exception.__init__(self, *args, **kwargs)

f __name__ == '__main__':  #單獨(dú)模塊測試
    try:
        t1 = Transaction("chaors", "yajun", 999999999)
        t2 = Transaction("chaors2", "yajun2", 999999999)
 
        m1 = ChaorsMessage(t1)
        m2 = ChaorsMessage(t2)

        #交易密封
        m1.seal()
        #交易哈希只有密封之后才能link
        m2.link(m1)
        m2.seal()
        
        m1.validate()
        m2.validate()

        #篡改數(shù)據(jù) 篡改數(shù)據(jù)后會捕獲到異常
        # m2.data = "hahahaha"
        # m2.validate()
        #
        m2.prev_hash = "kkkkk"
        # print(m2)
        m2.validate()
    except InvalidMessage as e:
        print(e)

Block類

每個(gè)區(qū)塊包含屬性：索引（index）表悬，Unix時(shí)間戳（timestamp），交易列表（transactions）丧靡，工作量證明（下次講這個(gè)蟆沫，這里暫時(shí)擱置）以及前一個(gè)區(qū)塊的Hash值。

以下是一個(gè)區(qū)塊的結(jié)構(gòu)：

block = {
    'index': 1,
    'timestamp': 1506057125.900785,
    'transactions': [
        {
            'sender': "8527147fe1f5426f9dd545de4b27ee00",
            'recipient': "a77f5cdfa2934df3954a5c7c7da5df1f",
            'amount': 5,
        }
    ],
    'proof': 324984774000,
    'previous_hash': "2cf24dba5fb0a30e26e83b2ac5b9e29e1b161e5c1fa7425e73043362938b9824"
}

到這里温治，區(qū)塊鏈的概念就清楚了饭庞，每個(gè)新的區(qū)塊都包含上一個(gè)區(qū)塊的Hash，這是關(guān)鍵的一點(diǎn)熬荆，它保障了區(qū)塊鏈不可變性舟山。如果攻擊者破壞了前面的某個(gè)區(qū)塊，那么后面所有區(qū)塊的Hash都會變得不正確卤恳。

import datetime
import hashlib

from Message import ChaorsMessage
from Message import InvalidMessage
from Transaction import Transaction

class Block:

   def __init__(self, *args):

       self.messagelist = []  #存儲多個(gè)交易記錄
       self.timestamp = None  #當(dāng)前時(shí)間戳
       self.hash = None;
       self.prev_hash = None

       #遍歷交易參數(shù)累盗，將所有交易加入到交易列表內(nèi)
       if args:
           for arg in args:
               self.add_message(arg)

   def add_message(self, msg):  #增加交易信息
       #區(qū)分第一條和后面的  判斷是否需要鏈接
       if len(self.messagelist) > 0:
           msg.link(self.messagelist[-1])
       msg.seal()
       msg.validate()
       self.messagelist.append(msg)

   def link(self, block):  #鏈接
     #當(dāng)前區(qū)塊的上個(gè)哈希值為上個(gè)區(qū)塊哈希值，將區(qū)塊連接起來
         block.hash = self.prev_hash

   def seal(self):  #區(qū)塊封裝突琳，帶有時(shí)間戳和哈希值的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
       self.timestamp = datetime.datetime.now()
       self.hash = self._hash_block()

 #求區(qū)塊的哈希值
   def _hash_block(self):
       return hashlib.sha256((str(self.prev_hash) +
                              str(self.timestamp) +
                              str(self.messagelist[-1].hash)).encode("utf-8")).hexdigest()

   def validate(self):  #區(qū)塊合法性驗(yàn)證
       for i, msg in enumerate(self.messagelist):
           msg.validate()
           if i > 0 and msg.prev_hash != self.messagelist[i-1].hash:
               raise InvalidBlock("無效block若债，第{}條交易記錄被修改".format(i)+ str(self))

       return str(self) + "block ok..."

   def __repr__(self):
       return "block = hash:{}, prehash:{}, len:{}, time:{}".format(self.hash,
                                                                    self.prev_hash,
                                                                    len(self.messagelist),
                                                                    self.timestamp)
class InvalidBlock(Exception):  #異常處理類

   def __init__(self, *args, **kwargs):
       Exception.__init__(self, *args, **kwargs)

if __name__ == '__main__':

   try:
       t1 = Transaction("chaors", "yajun", 999999999)
       t2 = Transaction("chaors2", "yajun2", 999999999)
       t3 = Transaction("chaors4", "yajun4", 999999999)

       m1 = ChaorsMessage(t1)
       m2 = ChaorsMessage(t2)
       m3 = ChaorsMessage(t3)

       block = Block(m1, m2, m3)
       block.seal()
       print(block)
       # m1.data = "kkkk"
       block.messagelist[1] = m3
       block.validate()

   except InvalidMessage as e:
       print(e)

   except InvalidBlock as e:
       print(e)

Blockchain類

Blockchain類用來管理鏈條，它能存儲交易拆融，加入新塊等蠢琳。它就是一個(gè)完整的區(qū)塊鏈

import datetime
import hashlib

from Block import Block
from Block import InvalidBlock
from Message import ChaorsMessage
from Message import InvalidMessage
from Transaction import Transaction

class BlockChain:

    def __init__(self):
        self.blocklist = []

    def add_block(self, block):
        if len(self.blocklist) > 0:
            block.prev_hash = self.blocklist[-1].hash
        block.seal()  #區(qū)塊封裝
        block.validate()  #區(qū)塊鏈接
        self.blocklist.append(block)

    def validate(self):  #區(qū)塊驗(yàn)證
        for i, block in enumerate(self.blocklist):
            try:
                block.validate()
            except InvalidBlock as e:
                print(e)
                raise InvalidBlockChain("第{}區(qū)塊校驗(yàn)錯誤".format(i))

    def __repr__(self):
        return "BlockChain:{}".format(len(self.blocklist))

class InvalidBlockChain(Exception):  # 異常處理類
   def __init__(self, *args, **kwargs):
        Exception.__init__(self, *args, **kwargs)

if __name__ == '__main__':
    try:
        t1 = Transaction("chaors", "yajun", 999999999)
        t2 = Transaction("chaors2", "yajun2", 999999999)
        t3 = Transaction("chaors4", "yajun4", 999999999)

        m1 = ChaorsMessage(t1)
        m2 = ChaorsMessage(t2)
        m3 = ChaorsMessage(t3)

        block1 = Block(m1, m2, m3)
        block1.seal()

        t21 = Transaction("chaors", "yajun", 999999999)
        t22 = Transaction("chaors2", "yajun2", 999999999)

        m21 = ChaorsMessage(t21)
        m22 = ChaorsMessage(t22)

        block2 = Block(m21, m22)
        block2.seal()

        t31 = Transaction("chaors", "yajun", 999999999)
        t32 = Transaction("chaors2", "yajun2", 999999999)
        t33 = Transaction("chaors4", "yajun4", 999999999)
        t34 = Transaction("chaors8", "yajun8", 999999999)

        m31 = ChaorsMessage(t31)
        m32 = ChaorsMessage(t32)
        m33 = ChaorsMessage(t33)
        m34 = ChaorsMessage(t34)

        block3 = Block(m31, m32, m33, m34)
        block3.seal()

        mychain = BlockChain()
        mychain.add_block(block1)
        mychain.add_block(block2)
        mychain.add_block(block3)

        print(mychain)
        #篡改區(qū)塊
        block3.messagelist[1] = m33
        # m31.data = "lkjioh"
        mychain.validate()

    except InvalidBlockChain as e:
        print(e)

通過上面的代碼，可以對區(qū)塊鏈區(qū)塊的產(chǎn)生和交易有一個(gè)更深刻的了解镜豹。交易和存儲交易的區(qū)塊因?yàn)楣Ｖ刀紩哂胁豢纱鄹牡奶匦浴?/p>

當(dāng)然真正的區(qū)塊鏈遠(yuǎn)不止這么簡單傲须，這里只是大概搭建一個(gè)簡單的區(qū)塊鏈Demo，用于理解區(qū)塊鏈的不可篡改原理和基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)趟脂。本文代碼也只實(shí)現(xiàn)了區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)層泰讽，至于網(wǎng)絡(luò)層，共識層等昔期，以后有機(jī)會再寫一寫已卸。

源代碼在這里

下一篇:用Python從零開始構(gòu)建區(qū)塊鏈之網(wǎng)絡(luò)+共識(一)

互聯(lián)網(wǎng)顛覆世界，區(qū)塊鏈顛覆互聯(lián)網(wǎng)!

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