在前面區(qū)塊鏈的架構(gòu)部分介紹過(guò)區(qū)塊鏈的產(chǎn)生過(guò)程，如下圖

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，區(qū)塊鏈就是把(加密)數(shù)據(jù)存入?yún)^(qū)塊中，經(jīng)“挖礦”加入整個(gè)鏈條，生成的永久、不可逆向修改的記錄。在本節(jié)中，將從代碼的角度深入理解這一過(guò)程。實(shí)踐是最好的老師，下面將動(dòng)手實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)單的區(qū)塊鏈。

為方便講解區(qū)塊鏈基礎(chǔ)，在下面開(kāi)始用Python實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)化版的區(qū)塊鏈。區(qū)塊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包含下面幾個(gè)字段：

identifier： 一個(gè)唯一的字符串作為標(biāo)示

previous_hash： 前一個(gè)區(qū)塊的哈希值

data：區(qū)塊中的數(shù)據(jù)

nonce：隨機(jī)數(shù)，用來(lái)找到正確的哈希值

其中identifier這個(gè)唯一的字符串可以用python的uuid庫(kù)uuid4()生成。previous_hash是在接入?yún)^(qū)塊鏈的時(shí)候賦值。data是區(qū)塊中寫入的任意數(shù)據(jù)。比較特別的是nonce，它有什么用呢？它的作用很簡(jiǎn)單，用來(lái)找到正確哈希值。

至于為什么要找正確的哈希值，就要講到區(qū)塊的有效性。由上圖中可以看到，區(qū)塊鏈中的區(qū)塊不是新生成就完成，而是需要通過(guò)“挖礦”這一步驟才可以。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，挖礦的本質(zhì)就是找到一個(gè)合適的nonce值使得區(qū)塊的哈希值有效。

挖礦

哈希值是通過(guò)哈希算法計(jì)算得到的一段二進(jìn)制值，不同的數(shù)據(jù)得到不同的哈希值。

In[1]:

# 這里舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子# 導(dǎo)入相關(guān)類庫(kù)import hashlib# 定義數(shù)據(jù)data = "Hello World"# 計(jì)算哈希值msg = hashlib.sha256()msg.update(data.encode('utf-8')) # 主要計(jì)算前必須將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成utf－8msg.hexdigest()

Out[1]:

'a591a6d40bf420404a011733cfb7b190d62c65bf0bcda32b57b277d9ad9f146e'

上面就一個(gè)哈希值，如果修改數(shù)據(jù)，比如添加一個(gè)nonce值就可以產(chǎn)生不同的哈希值

In[2]:

nonce = 0msg = hashlib.sha256()msg.update(data.encode('utf-8'))msg.update(str(nonce).encode("utf-8"))msg.hexdigest()

Out[2]:

'1370eeaaba7a6c7a234b1f82cc3b6d013a0088fd5e16408300f05b28b0015463'

在區(qū)塊鏈中區(qū)塊的哈希值必須滿足一定條件才能算是有效的區(qū)塊。這里設(shè)定區(qū)塊的哈希值必須以0000開(kāi)頭才是有效的區(qū)塊。為了得到以0000開(kāi)頭的哈希值，需要不斷的修改nonce（挖礦）直到滿足條件。下面定義一個(gè)函數(shù)來(lái)尋找該nonce值。

In[3]:

def mine(data): nonce = 0 # nonce初始值為0 # 尋找正確的哈希值 while True: msg = hashlib.sha256() msg.update(data.encode("utf-8")) msg.update(str(nonce).encode("utf-8")) hash_code = msg.hexdigest() # 如果滿足條件，打印相應(yīng)值并退出循環(huán) if hash_code.startswith("0000"): print("nonce:{}".format(nonce)) print("hash:{}".format(hash_code)) break # 否則繼續(xù)尋找 else: nonce += 1

In[4]:

mine("Hello, World")

nonce:104803hash:000022635160d3ae1c8c90261e0df5eb6538d7f6d42108d6ffdec17b585fb464

上面只是用data和nonce來(lái)計(jì)算哈希值，實(shí)際區(qū)塊鏈中還會(huì)包含其他字段。下面定義一個(gè)區(qū)塊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

實(shí)現(xiàn)區(qū)塊結(jié)構(gòu)

In[83]:

# block.pyimport hashlibimport uuidclass Block(object): def __init__(self, data=None, previous=None): self.identifier = uuid.uuid4().hex # 產(chǎn)生唯一標(biāo)示 self.previous = previous # 父節(jié)點(diǎn) if previous: self.previous_hash = previous.hash() # 父節(jié)點(diǎn)哈希值 else: self.previous_hash = None self.data = data # 區(qū)塊內(nèi)容 self.nonce = 0 # nonce值 def hash(self): ''' 計(jì)算區(qū)塊的哈希值，包括區(qū)塊的標(biāo)示、數(shù)據(jù)、前一區(qū)塊的哈希值和nonce值 ''' message = hashlib.sha256() message.update(self.identifier.encode('utf-8')) message.update(str(self.nonce).encode('utf-8')) message.update(str(self.data).encode('utf-8')) if self.previous: message.update(str(self.previous_hash.encode('utf-8'))) return message.hexdigest() def refresh_hash(self): if self.previous: self.previous_hash = previous.hash() # 父節(jié)點(diǎn)哈希值 else: self.previous_hash = None def mine(self): ''' 挖礦函數(shù) ''' # 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: if self.hash_is_valid(): # 如果生成的哈希值有效 break # 退出 else: self.nonce += 1 # 若當(dāng)前哈希值無(wú)效，更新nonce值，進(jìn)行加1操作 def hash_is_valid(self): ''' 校驗(yàn)區(qū)塊哈希值有否有效 ''' return self.hash().startswith('0000') def __repr__(self): return 'Block'.format(self.identifier)

以上就是一個(gè)區(qū)塊結(jié)構(gòu)，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。其中定義一個(gè)mine函數(shù)用了尋找合適的nonce值。另外定義了一個(gè)hash_is_valid函數(shù)用來(lái)判斷這個(gè)是否以0000開(kāi)頭，即是否有效。下面對(duì)這個(gè)區(qū)塊結(jié)構(gòu)進(jìn)行初始化。

In[84]:

# 創(chuàng)建一個(gè)內(nèi)容為hello world的內(nèi)容塊block = Block('Hello, World')

In[85]:

# 區(qū)塊鏈的有效性block.hash_is_valid()

Out[85]:

False

In[86]:

# 挖礦，循環(huán)直至找到合適的nonceblock.mine()

In[87]:

# 再次檢查區(qū)塊的有效性block.hash_is_valid()

Out[87]:

True

至此，第一個(gè)有效的區(qū)塊生成完成，下面開(kāi)始實(shí)現(xiàn)區(qū)塊鏈。

實(shí)現(xiàn)區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)

In[88]:

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): new_block.previous = new_block.previous new_block.mine() self.blocks[new_block.identifier] = block 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[89]:

# 初始化chain = BlockChain()# 打印chain

Out[89]:

In[90]:

# 添加區(qū)塊chain.add_block(block)# 打印chain

Out[90]:

Blockchain<1 Blocks, Head: 1294d073adf5476db720d7b2e752d62b>

In[91]:

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

Out[91]:

Blockchain<7 Blocks, Head: 7f8291bedac845af8637112136c41fd3>

In[92]:

for i,v in chain.blocks.items(): if v.hash_is_valid(): print("{} is valid".format(k)) else: print("\033[0;31m{} is invalid\033[0m")a70c66dec8154a37864838638bc1ef71 is valida70c66dec8154a37864838638bc1ef71 is valida70c66dec8154a37864838638bc1ef71 is valida70c66dec8154a37864838638bc1ef71 is valida70c66dec8154a37864838638bc1ef71 is valida70c66dec8154a37864838638bc1ef71 is valida70c66dec8154a37864838638bc1ef71 is valid

以上就是一個(gè)簡(jiǎn)單區(qū)塊鏈，可以看到當(dāng)前的區(qū)塊都是有效的。但是，值的注意的是，每個(gè)區(qū)塊包括前一個(gè)區(qū)塊的哈希值，所以，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。

In[93]:

# 比如改變第一個(gè)區(qū)塊的內(nèi)容block.data = "Modify Data"block.hash_is_valid()

Out[93]:

False

這將使這個(gè)區(qū)塊哈希值改變并導(dǎo)致區(qū)塊無(wú)效，并且，這個(gè)修改將影響之后的區(qū)塊，因?yàn)橹蟮膮^(qū)塊中的previous_hash依賴于前面的區(qū)塊。改變?nèi)缦拢?/p>

In[95]:

for k,v in chain.blocks.items(): # 更新區(qū)塊 v.refresh_hash() if v.hash_is_valid(): print("{} is valid".format(k)) else: print("\033[0;31m{} is invalid\033[0m".format(k))b41171e618334412871495fb6d6f1a28 is invalid1294d073adf5476db720d7b2e752d62b is invalid97dd4e3905584c18ab2028c92b3afaad is invalid02cb150841d6420ead9388d0ecfa3eef is invalid7f8291bedac845af8637112136c41fd3 is invalid2cfe78eac1db48f099a10ea968d468dd is invalid2119e357b03442e1bbc12f355ffdf00c is invalid

可以看到由于前面區(qū)塊的改變導(dǎo)致之后的區(qū)塊也無(wú)效了。

以上模擬了單個(gè)用戶的區(qū)塊鏈操作，在實(shí)際過(guò)程中挖礦和校驗(yàn)的行為由區(qū)塊鏈中其他用戶進(jìn)行的，并根據(jù)挖礦產(chǎn)生的勞動(dòng)得到對(duì)應(yīng)的報(bào)酬。這樣就保證了單個(gè)用戶無(wú)法修改區(qū)塊鏈中的數(shù)據(jù)。并且這個(gè)過(guò)程是通過(guò)加密算法進(jìn)行的，這就實(shí)現(xiàn)了區(qū)塊鏈的去信任。