Python學(xué)習(xí)入門之區(qū)塊鏈詳解
前言
本文將給大家簡單介紹關(guān)于區(qū)塊鏈(BlockChain)的相關(guān)知識，并用Python做一簡單實現(xiàn)。下面話不多說，來一起看看詳細(xì)的介紹：
什么是區(qū)塊鏈
簡單來說，區(qū)塊鏈就是把加密數(shù)據(jù)（區(qū)塊）按照時間順序進(jìn)行疊加（鏈）生成的永久、不可逆向修改的記錄。具體來說，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，每一個區(qū)塊都包含了上一個區(qū)塊的哈希值（hash），從創(chuàng)始區(qū)塊（genesis block）開始連接到當(dāng)前區(qū)塊，形成塊鏈。每一個區(qū)塊都確保按照時間順序在上一個區(qū)塊之后產(chǎn)生，否則前一個區(qū)塊的哈希值是未知的。它是比特幣的一個重要概念。
特點
區(qū)塊鏈有如下特點：
- 去中心化:區(qū)塊鏈不依賴于某個中心節(jié)點，而是依賴于分布式的各個節(jié)點。
- 無須信任系統(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)其他用戶的批準(zhǔn)，所以不需要一套第三方中介結(jié)構(gòu)或信任機構(gòu)背書。
- 不可篡改和加密安全性:區(qū)塊鏈采取單向哈希算法，同時每個新產(chǎn)生的區(qū)塊嚴(yán)格按照時間線形順序推進(jìn)，時間的不可逆性導(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)點的排斥，從而可以限制相關(guān)不法行為。
以上特點使得區(qū)塊鏈在銀行、證券市場和金融等諸多領(lǐng)域有著越來越多的應(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、時間戳和nonce等信息，具體如下：
區(qū)塊標(biāo)識符
區(qū)塊有兩個標(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SHA256算法對區(qū)塊頭進(jìn)行二次哈希計算而得到的數(shù)字。區(qū)塊哈希值可以唯一、明確地標(biāo)識一個區(qū)塊，并且任何節(jié)點通過簡單地對區(qū)塊頭進(jìn)行哈希計算都可以獨立地獲取該區(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)識符。雖然一個單一的區(qū)塊總是會有一個明確的、固定的區(qū)塊高度，但反過來卻并不成立，一個區(qū)塊高度并不總是識別一個單一的區(qū)塊。兩個或兩個以上的區(qū)塊可能有相同的區(qū)塊高度，在區(qū)塊鏈里爭奪同一位置。
了解了以上基礎(chǔ)后下面開始用Python實現(xiàn)一個簡單的區(qū)塊鏈。
區(qū)塊鏈的Python實現(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)點哈希值
def hash(self, nonce=None):
'''
計算區(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)
以上就是一個區(qū)塊結(jié)構(gòu)，這里實現(xiàn)的是一個簡化版，沒有完全對應(yīng)比特幣中的區(qū)塊。這里的區(qū)塊包含一個唯一標(biāo)識符、父節(jié)點的哈希值、nonce值和該區(qū)塊的內(nèi)容字段?？梢钥吹揭粋€區(qū)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(qū)塊結(jié)構(gòu)進(jìn)行初始化。
In [37]:
# 創(chuàng)建一個內(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(shù)用來得到一個合適的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)點哈希值
def hash(self, nonce=None):
'''
計算區(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，第一個有效的區(qū)塊生成完成，下面開始定義區(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 # 指向最新的一個區(qū)塊
self.blocks = {} # 包含所有區(qū)塊的一個字典
'''
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>
以上就是一個簡單區(qū)塊鏈，后面還會涉及到區(qū)塊鏈的有效性。當(dāng)區(qū)塊鏈中一個區(qū)塊被改變后，這個區(qū)塊的哈希就會改變，從而影響到這塊區(qū)塊之后的區(qū)塊，致使這個區(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內(nèi)容了，希望本文的內(nèi)容對大家的學(xué)習(xí)或者工作能帶來一定的幫助，如果有疑問大家可以留言交流，謝謝大家對腳本之家的支持。
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