本文將簡單介紹區塊鏈(BlockChain)并用Python做一簡單實現。

什么是區塊鏈

簡單來說，區塊鏈就是把加密數據（區塊）按照時間順序進行疊加（鏈）生成的永久、不可逆向修改的記錄。具體來說，它區塊鏈是由一串使用密碼學方法產生的數據塊組成的，每一個區塊都包含了上一個區塊的哈希值（hash），從創始區塊（genesis block）開始連接到當前區塊，形成塊鏈。每一個區塊都確保按照時間順序在上一個區塊之后產生，否則前一個區塊的哈希值是未知的。它是比特幣的一個重要概念。

特點

區塊鏈有如下特點：

去中心化:區塊鏈不依賴于某個中心節點，而是依賴于分布式的各個節點。

無須信任系統:區塊鏈中基于密碼學算法，數據需要網絡內其他用戶的批準，所以不需要一套第三方中介結構或信任機構背書。

不可篡改和加密安全性:區塊鏈采取單向哈希算法，同時每個新產生的區塊嚴格按照時間線形順序推進，時間的不可逆性導致任何試圖入侵篡改區塊鏈內數據 信息的行為都很容易被追溯，導致被其他節點的排斥，從而可以限制相關不法行為。

以上特點使得區塊鏈在銀行、證券市場和金融等諸多領域有著越來越多的應用。

區塊鏈工作原理

區塊鏈式一系列加密的數據塊。這些區塊由一個包含元數據的區塊頭和緊跟其后的構成區塊主體的一長串交易組成。比特幣中的區塊結構如下：

區塊頭

區塊頭中包含了與區塊鏈中其它區塊中的連接信息、時間戳和nonce等信息，具體如下：

區塊標識符

區塊有兩個標示符,一是區塊頭的哈希值，二是區塊高度。區塊頭的哈希值是通過SHA256算法對區塊頭進行二次哈希計算而得到的數字。區塊哈希值可以唯一、明確地標識一個區塊，并且任何節點通過簡單地對區塊頭進行哈希計算都可以獨立地獲取該區塊哈希值。區塊高度是指該區塊在區塊鏈中的位置。區塊高度并不是唯一的標識符。雖然一個單一的區塊總是會有一個明確的、固定的區塊高度，但反過來卻并不成立，一個區塊高度并不總是識別一個單一的區塊。兩個或兩個以上的區塊可能有相同的區塊高度，在區塊鏈里爭奪同一位置。

了解了以上基礎后下面開始用Python實現一個簡單的區塊鏈。

區塊鏈的Python實現

一、定義區塊結構

In [16]:

# block.pyimport hashlib import uuidclass Block(object):def __init__(self, data=None, previous_hash=None):self.identifier = uuid.uuid4().hex # 產生唯一標示self.nonce = None # nonce值self.data = data # 區塊內容self.previous_hash = previous_hash # 父節點哈希值def hash(self, nonce=None):'''計算區塊的哈希值'''message = hashlib.sha256()message.update(self.identifier.encode('utf-8'))message.update(str(nonce).encode('utf-8'))message.update(str(self.data).encode('utf-8'))message.update(str(self.previous_hash).encode('utf-8'))return message.hexdigest()def hash_is_valid(self, the_hash):'''校驗區塊哈希值有否有效'''return the_hash.startswith('0000')def __repr__(self):return 'Block<Hash: {}, Nonce: {}>'.format(self.hash(), self.nonce)

以上就是一個區塊結構，這里實現的是一個簡化版，沒有完全對應比特幣中的區塊。這里的區塊包含一個唯一標識符、父節點的哈希值、nonce值和該區塊的內容字段。可以看到一個區塊的哈希值必須滿足一定的條件才是有效的，比如以0000開始。下面對這個區塊結構進行初始化。

In [37]:

# 創建一個內容為hello world的內容塊block = Block('Hello World') block

Out[37]:

Block<Hash: 238a65a101c8829d7fc406eb78a71cfc19ad702b437e2c1be8d9061ddb81e900, Nonce: None>

以上一個區塊雖然創建完成，但其哈希值不是有效的。

In [38]:

block.hash_is_valid(block.hash())

Out[38]:

False

改變nonce的值就可以得到一個新的哈希值。

In [39]:

block.hash(1)

Out[39]:

'a6431938ba10270dfcfdf7a2371312446914fedadf79632c2c0adb3b463f4838'

哈希值更新了，但還不是有效的哈希值。為了得到有效哈希值，是一個不斷更新nonce值的過程，或者說一個挖礦（mine）過程。下面添加一個mine函數用來得到一個合適的nonce值。

In [78]:

# block.pyimport hashlib import uuidclass Block(object):def __init__(self, data=None, previous_hash=None):self.identifier = uuid.uuid4().hex # 產生唯一標示self.nonce = None # nonce值self.data = data # 區塊內容self.previous_hash = previous_hash # 父節點哈希值def hash(self, nonce=None):'''計算區塊的哈希值'''message = hashlib.sha256()message.update(self.identifier.encode('utf-8'))message.update(str(nonce).encode('utf-8'))message.update(str(self.data).encode('utf-8'))message.update(str(self.previous_hash).encode('utf-8'))return message.hexdigest()def hash_is_valid(self, the_hash):'''校驗區塊哈希值有否有效'''return the_hash.startswith('0000')def __repr__(self):return 'Block<Hash: {}, Nonce: {}>'.format(self.hash(self.nonce), self.nonce)'''新增挖礦函數'''def mine(self):# 初始化nonce為0cur_nonce = self.nonce or 0# 循環直到生成一個有效的哈希值while True:the_hash = self.hash(nonce=cur_nonce)if self.hash_is_valid(the_hash): # 如果生成的哈希值有效self.nonce = cur_nonce # 保持當前nonce值break # 并退出else:cur_nonce += 1 # 若當前哈希值無效，更新nonce值，進行加1操作

In [75]:

block = Block('Hello World')# 挖礦，循環直至找到合適的nonce block.mine()# 打印 block

Out[75]:

Block<Hash: 000087359d5264153d624556f0a0c6f25cba06e453975c1c02587862e823911b, Nonce: 64751>

至此，第一個有效的區塊生成完成，下面開始定義區塊鏈。

二、定義區塊鏈結構

In [81]:

class BlockChain(object):def __init__(self):self.head = None # 指向最新的一個區塊self.blocks = {} # 包含所有區塊的一個字典'''添加區塊函數'''def add_block(self, new_block):previous_hash = self.head.hash(self.head.nonce) if self.head else Nonenew_block.previous_hash = previous_hashself.blocks[new_block.identifier] = {'block': new_block,'previous_hash': previous_hash,'previous': self.head,}self.head = new_blockdef __repr__(self):num_existing_blocks = len(self.blocks)return 'Blockchain<{} Blocks, Head: {}>'.format(num_existing_blocks,self.head.identifier if self.head else None)

定義好區塊鏈結構后，下面就開始初始化一條區塊鏈。

In [82]:

# 初始化 chain = BlockChain()# 打印 chain

Out[82]:

Blockchain<0 Blocks, Head: None>

In [83]:

# 添加區塊 chain.add_block(block)# 打印 chain

Out[83]:

Blockchain<1 Blocks, Head: 364c0cf963384ca28a2763499a140405>

In [84]:

# 添加更多的區塊for i in range(6):new_block = Block(i)new_block.mine()chain.add_block(new_block)# 打印 chain

Out[84]:

Blockchain<7 Blocks, Head: e7cb24ec7acd42a4aaebe7faee9e0713>

以上就是一個簡單區塊鏈，后面還會涉及到區塊鏈的有效性。當區塊鏈中一個區塊被改變后，這個區塊的哈希就會改變，從而影響到這塊區塊之后的區塊，致使這個區塊鏈不再有效。這些將在后續繼續深入。

作者：Walker Python愛好者社區專欄作者 授權原創發布，請勿轉載，謝謝。
出處：Python之區塊鏈入門

總結

以上是生活随笔為你收集整理的Python之区块链入门，揭秘比特币的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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