【大神课堂】关于区块链发展及数字构架的深入了解-电子发烧友网

在前面区块链的架构部分介绍过区块链的产生过程，如下图

【大神课堂】关于区块链发展及数字构架的深入了解

简单来说，区块链就是把(加密)数据存入区块中，经“挖矿”加入整个链条，生成的永久、不可逆向修改的记录。在本节中，将从代码的角度深入理解这一过程。实践是最好的老师，下面将动手实现一个简单的区块链。

为方便讲解区块链基础，在下面开始用Python实现一个简化版的区块链。区块的数据结构包含下面几个字段：

identifier：一个唯一的字符串作为标示

previous_hash：前一个区块的哈希值

data：区块中的数据

nonce：随机数，用来找到正确的哈希值

其中identifier这个唯一的字符串可以用python的uuid库uuid4()生成。previous_hash是在接入区块链的时候赋值。data是区块中写入的任意数据。比较特别的是nonce，它有什么用呢？它的作用很简单，用来找到正确哈希值。

至于为什么要找正确的哈希值，就要讲到区块的有效性。由上图中可以看到，区块链中的区块不是新生成就完成，而是需要通过“挖矿”这一步骤才可以。简单来说，挖矿的本质就是找到一个合适的nonce值使得区块的哈希值有效。

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挖矿

哈希值是通过哈希算法计算得到的一段二进制值，不同的数据得到不同的哈希值。

In[1]:

# 这里举个简单的例子# 导入相关类库import hashlib# 定义数据data = "Hello World"# 计算哈希值msg = hashlib.sha256()msg.update(data.encode('utf-8')) # 主要计算前必须将数据转成utf－8msg.hexdigest()

Out[1]:

'a591a6d40bf420404a011733cfb7b190d62c65bf0bcda32b57b277d9ad9f146e'

上面就一个哈希值，如果修改数据，比如添加一个nonce值就可以产生不同的哈希值

In[2]:

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

Out[2]:

'1370eeaaba7a6c7a234b1f82cc3b6d013a0088fd5e16408300f05b28b0015463'

在区块链中区块的哈希值必须满足一定条件才能算是有效的区块。这里设定区块的哈希值必须以0000开头才是有效的区块。为了得到以0000开头的哈希值，需要不断的修改nonce（挖矿）直到满足条件。下面定义一个函数来寻找该nonce值。

In[3]:

def mine(data): nonce = 0 # nonce初始值为0 # 寻找正确的哈希值 while True: msg = hashlib.sha256() msg.update(data.encode("utf-8")) msg.update(str(nonce).encode("utf-8")) hash_code = msg.hexdigest() # 如果满足条件，打印相应值并退出循环 if hash_code.startswith("0000"): print("nonce:{}".format(nonce)) print("hash:{}".format(hash_code)) break # 否则继续寻找 else: nonce += 1

In[4]:

mine("Hello, World")

nonce:104803hash:000022635160d3ae1c8c90261e0df5eb6538d7f6d42108d6ffdec17b585fb464

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上面只是用data和nonce来计算哈希值，实际区块链中还会包含其他字段。下面定义一个区块的数据结构。

实现区块结构

In[83]:

# block.pyimport hashlibimport uuidclass Block(object): def __init__(self, data=None, previous=None): self.identifier = uuid.uuid4().hex # 产生唯一标示 self.previous = previous # 父节点 if previous: self.previous_hash = previous.hash() # 父节点哈希值 else: self.previous_hash = None self.data = data # 区块内容 self.nonce = 0 # nonce值 def hash(self): ''' 计算区块的哈希值，包括区块的标示、数据、前一区块的哈希值和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() # 父节点哈希值 else: self.previous_hash = None def mine(self): ''' 挖矿函数 ''' # 初始化nonce为0 cur_nonce = self.nonce or 0 # 循环直到生成一个有效的哈希值 while True: if self.hash_is_valid(): # 如果生成的哈希值有效 break # 退出 else: self.nonce += 1 # 若当前哈希值无效，更新nonce值，进行加1操作 def hash_is_valid(self): ''' 校验区块哈希值有否有效 ''' return self.hash().startswith('0000') def __repr__(self): return 'Block'.format(self.identifier)

以上就是一个区块结构，这里的区块包含一个唯一标识符、父节点的哈希值、nonce值和该区块的内容字段。其中定义一个mine函数用了寻找合适的nonce值。另外定义了一个hash_is_valid函数用来判断这个是否以0000开头，即是否有效。下面对这个区块结构进行初始化。

In[84]:

# 创建一个内容为hello world的内容块block = Block('Hello, World')

In[85]:

# 区块链的有效性block.hash_is_valid()

Out[85]:

False

In[86]:

# 挖矿，循环直至找到合适的nonceblock.mine()

In[87]:

# 再次检查区块的有效性block.hash_is_valid()

Out[87]:

True

至此，第一个有效的区块生成完成，下面开始实现区块链。

实现区块链结构

In[88]:

class BlockChain(object): def __init__(self): self.head = None # 指向最新的一个区块 self.blocks = {} # 包含所有区块的一个字典 ''' 添加区块函数 ''' 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 )

定义好区块链结构后，下面就开始初始化一条区块链。

In[89]:

# 初始化chain = BlockChain()# 打印chain

Out[89]:

Blockchain<0 Blocks, Head: None>

In[90]:

# 添加区块chain.add_block(block)# 打印chain

Out[90]:

Blockchain<1 Blocks, Head: 1294d073adf5476db720d7b2e752d62b>

In[91]:

# 添加更多的区块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

以上就是一个简单区块链，可以看到当前的区块都是有效的。但是，值的注意的是，每个区块包括前一个区块的哈希值，所以，当区块链中一个区块被改变后，这个区块的哈希就会改变，从而影响到这块区块之后的区块。

In[93]:

# 比如改变第一个区块的内容block.data = "Modify Data"block.hash_is_valid()

Out[93]:

False

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这将使这个区块哈希值改变并导致区块无效，并且，这个修改将影响之后的区块，因为之后的区块中的previous_hash依赖于前面的区块。改变如下：

In[95]:

for k,v in chain.blocks.items(): # 更新区块 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

可以看到由于前面区块的改变导致之后的区块也无效了。

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