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Python學(xué)習(xí)入門(mén)之區(qū)塊鏈詳解

更新時(shí)間：2017年07月25日 10:26:25 作者：101python

區(qū)塊鏈的基礎(chǔ)概念很簡(jiǎn)單：一個(gè)分布式數(shù)據(jù)庫(kù)，存儲(chǔ)一個(gè)不斷加長(zhǎng)的 list，list 中包含著許多有序的記錄。下面這篇文章主要給大家介紹了關(guān)于Python學(xué)習(xí)入門(mén)之區(qū)塊鏈的相關(guān)資料，文中通過(guò)示例代碼介紹的非常詳細(xì)，需要的朋友們下面來(lái)一起看看吧。

前言

本文將給大家簡(jiǎn)單介紹關(guān)于區(qū)塊鏈(BlockChain)的相關(guān)知識(shí)，并用Python做一簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)。下面話不多說(shuō)，來(lái)一起看看詳細(xì)的介紹：

什么是區(qū)塊鏈

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，區(qū)塊鏈就是把加密數(shù)據(jù)（區(qū)塊）按照時(shí)間順序進(jìn)行疊加（鏈）生成的永久、不可逆向修改的記錄。具體來(lái)說(shuō)，它區(qū)塊鏈?zhǔn)怯梢淮褂妹艽a學(xué)方法產(chǎn)生的數(shù)據(jù)塊組成的，每一個(gè)區(qū)塊都包含了上一個(gè)區(qū)塊的哈希值（hash），從創(chuàng)始區(qū)塊（genesis block）開(kāi)始連接到當(dāng)前區(qū)塊，形成塊鏈。每一個(gè)區(qū)塊都確保按照時(shí)間順序在上一個(gè)區(qū)塊之后產(chǎn)生，否則前一個(gè)區(qū)塊的哈希值是未知的。它是比特幣的一個(gè)重要概念。

特點(diǎn)

區(qū)塊鏈有如下特點(diǎn)：

去中心化:區(qū)塊鏈不依賴(lài)于某個(gè)中心節(jié)點(diǎn)，而是依賴(lài)于分布式的各個(gè)節(jié)點(diǎn)。
無(wú)須信任系統(tǒng):區(qū)塊鏈中基于密碼學(xué)算法，數(shù)據(jù)需要網(wǎng)絡(luò)內(nèi)其他用戶(hù)的批準(zhǔn)，所以不需要一套第三方中介結(jié)構(gòu)或信任機(jī)構(gòu)背書(shū)。
不可篡改和加密安全性:區(qū)塊鏈采取單向哈希算法，同時(shí)每個(gè)新產(chǎn)生的區(qū)塊嚴(yán)格按照時(shí)間線形順序推進(jìn)，時(shí)間的不可逆性導(dǎo)致任何試圖入侵篡改區(qū)塊鏈內(nèi)數(shù)據(jù) 信息的行為都很容易被追溯，導(dǎo)致被其他節(jié)點(diǎn)的排斥，從而可以限制相關(guān)不法行為。

以上特點(diǎn)使得區(qū)塊鏈在銀行、證券市場(chǎng)和金融等諸多領(lǐng)域有著越來(lái)越多的應(yīng)用。

區(qū)塊鏈工作原理

區(qū)塊鏈?zhǔn)揭幌盗屑用艿臄?shù)據(jù)塊。這些區(qū)塊由一個(gè)包含元數(shù)據(jù)的區(qū)塊頭和緊跟其后的構(gòu)成區(qū)塊主體的一長(zhǎng)串交易組成。比特幣中的區(qū)塊結(jié)構(gòu)如下：

區(qū)塊頭

區(qū)塊頭中包含了與區(qū)塊鏈中其它區(qū)塊中的連接信息、時(shí)間戳和nonce等信息，具體如下：

區(qū)塊標(biāo)識(shí)符

區(qū)塊有兩個(gè)標(biāo)示符,一是區(qū)塊頭的哈希值，二是區(qū)塊高度。區(qū)塊頭的哈希值是通過(guò)SHA256算法對(duì)區(qū)塊頭進(jìn)行二次哈希計(jì)算而得到的數(shù)字。區(qū)塊哈希值可以唯一、明確地標(biāo)識(shí)一個(gè)區(qū)塊，并且任何節(jié)點(diǎn)通過(guò)簡(jiǎn)單地對(duì)區(qū)塊頭進(jìn)行哈希計(jì)算都可以獨(dú)立地獲取該區(qū)塊哈希值。區(qū)塊高度是指該區(qū)塊在區(qū)塊鏈中的位置。區(qū)塊高度并不是唯一的標(biāo)識(shí)符。雖然一個(gè)單一的區(qū)塊總是會(huì)有一個(gè)明確的、固定的區(qū)塊高度，但反過(guò)來(lái)卻并不成立，一個(gè)區(qū)塊高度并不總是識(shí)別一個(gè)單一的區(qū)塊。兩個(gè)或兩個(gè)以上的區(qū)塊可能有相同的區(qū)塊高度，在區(qū)塊鏈里爭(zhēng)奪同一位置。

了解了以上基礎(chǔ)后下面開(kāi)始用Python實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)單的區(qū)塊鏈。

區(qū)塊鏈的Python實(shí)現(xiàn)

一、定義區(qū)塊結(jié)構(gòu)

In [16]:

# block.py

import hashlib
import uuid


class Block(object):
 def __init__(self, data=None, previous_hash=None):
  self.identifier = uuid.uuid4().hex # 產(chǎn)生唯一標(biāo)示
  self.nonce = None     # nonce值
  self.data = data      # 區(qū)塊內(nèi)容
  self.previous_hash = previous_hash # 父節(jié)點(diǎn)哈希值
  
 def hash(self, nonce=None):
  '''
  計(jì)算區(qū)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(yàn)區(qū)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(gè)區(qū)塊結(jié)構(gòu)，這里實(shí)現(xiàn)的是一個(gè)簡(jiǎn)化版，沒(méi)有完全對(duì)應(yīng)比特幣中的區(qū)塊。這里的區(qū)塊包含一個(gè)唯一標(biāo)識(shí)符、父節(jié)點(diǎn)的哈希值、nonce值和該區(qū)塊的內(nèi)容字段?？梢钥吹揭粋€(gè)區(qū)塊的哈希值必須滿(mǎn)足一定的條件才是有效的，比如以0000開(kāi)始。下面對(duì)這個(gè)區(qū)塊結(jié)構(gòu)進(jìn)行初始化。

In [37]:

# 創(chuàng)建一個(gè)內(nèi)容為hello world的內(nèi)容塊

block = Block('Hello World')
block

Out[37]:

Block<Hash: 238a65a101c8829d7fc406eb78a71cfc19ad702b437e2c1be8d9061ddb81e900, Nonce: None>

以上一個(gè)區(qū)塊雖然創(chuàng)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(gè)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(gè)不斷更新nonce值的過(guò)程，或者說(shuō)一個(gè)挖礦（mine）過(guò)程。下面添加一個(gè)mine函數(shù)用來(lái)得到一個(gè)合適的nonce值。

In [78]:

# block.py

import hashlib
import uuid


class Block(object):
 def __init__(self, data=None, previous_hash=None):
  self.identifier = uuid.uuid4().hex # 產(chǎn)生唯一標(biāo)示
  self.nonce = None     # nonce值
  self.data = data      # 區(qū)塊內(nèi)容
  self.previous_hash = previous_hash # 父節(jié)點(diǎn)哈希值
  
 def hash(self, nonce=None):
  '''
  計(jì)算區(qū)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(yàn)區(qū)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(shù)
 '''
 def mine(self):
  # 初始化nonce為0
  cur_nonce = self.nonce or 0

  # 循環(huán)直到生成一個(gè)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(dāng)前nonce值
    break       # 并退出
   else:
    cur_nonce += 1 # 若當(dāng)前哈希值無(wú)效，更新nonce值，進(jìn)行加1操作

In [75]:

block = Block('Hello World')

# 挖礦，循環(huán)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(gè)有效的區(qū)塊生成完成，下面開(kāi)始定義區(qū)塊鏈。

二、定義區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)

In [81]:

class BlockChain(object):
 def __init__(self):
  self.head = None # 指向最新的一個(gè)區(qū)塊
  self.blocks = {} # 包含所有區(qū)塊的一個(gè)字典

 '''
  添加區(qū)塊函數(shù)
 '''
 def add_block(self, new_block):
  previous_hash = self.head.hash() if self.head else None
  new_block.previous_hash = previous_hash

  self.blocks[new_block.identifier] = {
   'block': new_block,
   'previous_hash': previous_hash,
   'previous': self.head,
  }
  self.head = new_block

 def __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(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)后，下面就開(kāi)始初始化一條區(qū)塊鏈。

In [82]:

# 初始化
chain = BlockChain()

# 打印
chain

Out[82]:

Blockchain<0 Blocks, Head: None>

In [83]:

# 添加區(qū)塊
chain.add_block(block)

# 打印
chain

Out[83]:

Blockchain<1 Blocks, Head: 364c0cf963384ca28a2763499a140405>

In [84]:

# 添加更多的區(qū)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(gè)簡(jiǎn)單區(qū)塊鏈，后面還會(huì)涉及到區(qū)塊鏈的有效性。當(dāng)區(qū)塊鏈中一個(gè)區(qū)塊被改變后，這個(gè)區(qū)塊的哈希就會(huì)改變，從而影響到這塊區(qū)塊之后的區(qū)塊，致使這個(gè)區(qū)塊鏈不再有效。這些將在后續(xù)繼續(xù)深入。

總結(jié)

以上就是這篇文章的全部?jī)?nèi)容了，希望本文的內(nèi)容對(duì)大家的學(xué)習(xí)或者工作能帶來(lái)一定的幫助，如果有疑問(wèn)大家可以留言交流，謝謝大家對(duì)腳本之家的支持。

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