简单区块链Python实现

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什么是区块链

区块链是一种数据结构，也是一个分布式数据库。

从技术上来看：区块是一种记录交易的数据结构，反映了一笔交易的资金流向。系统中已经达成的交易的区块连接在一起形成了一条主链，所有参与计算的节点都记录了主链或主链的一部分。

组成

区块头

区块头主要包含的三组元数据分别是：(1)用于连接前面的区块、索引自父区块哈希值的数据；(2)挖矿难度、时间戳、Nonce(随机数，用于工作量证明算法的计数器，也可理解为记录解密该区块相关数学题的答案的值)；(3)能够总结并快速归纳校验区块中所有交易数据的Merkle（默克尔）树根数据。当然区块头不仅仅包含这些元数据，还有其他比如：版本号、难度值等。

从这个结构来看，区块链的大部分功能都由区块头实现。

区块主体

区块主体所记录的交易信息是区块所承载的任务数据，具体包括交易双方的私钥、交易的数量、电子货币的数字签名等。

链

比特币系统大约每10分钟会创建一个区块，这个区块包含了这段时间里全网范围内发生的所有交易。每一个区块都保存了上一个区块的哈希值，使得每个区块都能找到其前一个区块，这样就将这些区块连接起来，形成了一个链式的结构。

区块字段

Difficulty 此区块的难度级别
ExtraData 与此区块相关的附加数据在区块链早期使用比较多，现在用的很少
gasLimit 当前区块允许使用的最大gas， gas表示一种计算量，使用的算力单位
gasUsed 当前区块已经使用的gas
Hash 当前区块的哈希值。如果区块没有被确认，这个字段会是null值
LogsBloom 由日志信息组成的一个Bloom过滤器（数据结构），区块没被确认是值为null
Miner 取得该区块记账权的矿工
mixHash 一个Hash值，当与nonce组合时，证明此区块已经执行了足够的计算
nonce 一个Hash值，当与mixHash组合时，证明此区块已经执行了足够的计算
Number 当前区块的计数（创世纪块的区块序号为0，对于每个后续区块，区块序号都增加1）
parentHash 父区块头的Hash值（这也是使得区块变成区块链的原因）
receiptsRoot 包含此区块所列的所有交易收据的树的根节点Hash值
Sha3Uncles 数据块的哈希值
Size 当前区块的字节大小
stateRoot 区块状态树的根哈希
Timestamp 区块打包时的unix时间戳
totalDifficulty 区块链到当前区块的总难度
Transactions 交易的对象
transactionsRoot 区块的交易树的根哈希
Uncles 叔哈希数组树区块详见 https://blog.csdn.net/weixin_42874184/article/details/81735695

Python实现

实现了工作量证明，难度计算，哈希部分

import hashlib
import datetime
import random

class Block:
    def __init__(self, index, transaction, pre_hash, difficulty, nonce):
        self.index = index
        self._timestamp = datetime.datetime.now()
        self._transaction = transaction
        self._pre_hash = pre_hash
        self._nonce = nonce
        self._difficulty = difficulty
        self.hash = self.gen_hash()

    @property
    def get_hash(self):
        return self.hash

    @property
    def get_index(self):
        return self.index

    @property
    def get_transaction(self):
        return self._transaction

    @property
    def get_difficulty(self):
        return self._difficulty

    @property
    def get_timestamp(self):
        return self._timestamp

    @property
    def get_pre_hash(self):
        return self._pre_hash

    @property
    def get_nonce(self):
        return self._nonce

    def gen_hash(self):
        sha = hashlib.sha256()
        data = str(self.index) + str(self._timestamp) + str(self._transaction) + str(self._pre_hash) + str(self._nonce) + str(self._difficulty)
        sha.update(data.encode("utf8"))
        return sha.hexdigest()


class Blockchain:
    def __init__(self, max_blocks):
        self._chain_list = [Block(0, "The First Block", '0', '1', random.randrange(0, 99999))]
        self._previous_block = self._chain_list[0]
        self._current_block = 1
        self.max_blocks = max_blocks

    @staticmethod
    def create_next_block(self):
        last_block = self._chain_list[self._current_block - 1]
        last_difficulty = last_block.get_difficulty
        this_index = last_block.index + 1
        this_transaction = "New Block " + str(this_index) + " has been generated successfully."
        nonce = random.randrange(0, 99999)
        this_difficulty = self.proof_of_work(nonce)
        pre_hash = last_block.hash
        self._chain_list.append(Block(this_index, this_transaction, pre_hash, this_difficulty, nonce))
        self._current_block += 1

    def last_block(self):
        return self._chain_list[-1]

    def proof_of_work(self, nonce):
        proof = 0
        while self.valid_proof(self, proof, nonce) is False:
            proof += 1
        return proof

    @staticmethod
    def valid_proof(self, proof, nonce):
        guess = f'{proof}{nonce}'.encode()
        guess_hash = hashlib.sha256(guess).hexdigest()
        pattern = "0000"
        return guess_hash[:len(pattern)] == pattern

    def run(self):
        for i in range(self.max_blocks):
            self.create_next_block(self)

    def show_block(self, index):
        print("----------------------------------------")
        print("ID: ", self._chain_list[index].get_index)
        print("Time", self._chain_list[index].get_transaction)
        print("Cur Hash", self._chain_list[index].get_hash)
        print("Pre Hash", self._chain_list[index].get_pre_hash)
        print("Difficulty", self._chain_list[index].get_difficulty)
        print("Trans", self._chain_list[index].get_transaction)
        print("Nonce", self._chain_list[index].get_nonce)
        print("----------------------------------------")


myBlockChain = Blockchain(100)
myBlockChain.run()
for i in range(myBlockChain.max_blocks):
    myBlockChain.show_block(i)

100

101

102

103

104

import hashlib

import datetime

import random

class Block:

def __init__(self, index, transaction, pre_hash, difficulty, nonce):

self.index = index

self._timestamp = datetime.datetime.now()

self._transaction = transaction

self._pre_hash = pre_hash

self._nonce = nonce

self._difficulty = difficulty

self.hash = self.gen_hash()

@property

def get_hash(self):

return self.hash

@property

def get_index(self):

return self.index

@property

def get_transaction(self):

return self._transaction

@property

def get_difficulty(self):

return self._difficulty

@property

def get_timestamp(self):

return self._timestamp

@property

def get_pre_hash(self):

return self._pre_hash

@property

def get_nonce(self):

return self._nonce

def gen_hash(self):

sha = hashlib.sha256()

data = str(self.index) + str(self._timestamp) + str(self._transaction) + str(self._pre_hash) + str(self._nonce) + str(self._difficulty)

sha.update(data.encode("utf8"))

return sha.hexdigest()

class Blockchain:

def __init__(self, max_blocks):

self._chain_list = [Block(0, "The First Block", '0', '1', random.randrange(0, 99999))]

self._previous_block = self._chain_list[0]

self._current_block = 1

self.max_blocks = max_blocks

@staticmethod

def create_next_block(self):

last_block = self._chain_list[self._current_block - 1]

last_difficulty = last_block.get_difficulty

this_index = last_block.index + 1

this_transaction = "New Block " + str(this_index) + " has been generated successfully."

nonce = random.randrange(0, 99999)

this_difficulty = self.proof_of_work(nonce)

pre_hash = last_block.hash

self._chain_list.append(Block(this_index, this_transaction, pre_hash, this_difficulty, nonce))

self._current_block += 1

def last_block(self):

return self._chain_list[-1]

def proof_of_work(self, nonce):

proof = 0

while self.valid_proof(self, proof, nonce) is False:

proof += 1

return proof

@staticmethod

def valid_proof(self, proof, nonce):

guess = f'{proof}{nonce}'.encode()

guess_hash = hashlib.sha256(guess).hexdigest()

pattern = "0000"

return guess_hash[:len(pattern)] == pattern

def run(self):

for i in range(self.max_blocks):

self.create_next_block(self)

def show_block(self, index):

print("----------------------------------------")

print("ID: ", self._chain_list[index].get_index)

print("Time", self._chain_list[index].get_transaction)

print("Cur Hash", self._chain_list[index].get_hash)

print("Pre Hash", self._chain_list[index].get_pre_hash)

print("Difficulty", self._chain_list[index].get_difficulty)

print("Trans", self._chain_list[index].get_transaction)

print("Nonce", self._chain_list[index].get_nonce)

print("----------------------------------------")

myBlockChain = Blockchain(100)

myBlockChain.run()

for i in range(myBlockChain.max_blocks):

myBlockChain.show_block(i)

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什么是区块链

组成

区块头

区块主体

链

区块字段

Python实现

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