python区块链基本原型简版如何实现

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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。

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

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：

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

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：

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))

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