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：
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
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:
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。
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:
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：
# class blockchain
def 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
@classmethod
def new_genesis_block(cls, coin_base_tx):
block_header = blockheader.new_genesis_block_header()
return cls(block_header, coin_base_tx)
# class blockheader
@classmethod
def 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
# class blockchain
def __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:
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:
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其它相关文章！
