块说链语：用Python撸一串区块链

简介

说到区块链，大家不免会想到比特币、加密货币、智能合约、交易、支付，但是这些都是区块链解决的问题，不是其本身，并且这些把理解区块链变得复杂，下面配合Python代码理解区块链结构。

先总结一下区块链的定义，区块链本质上是一个能够保证系统诚实可信的分布式数据库，是由多种技术整合而成，该数据库由使用密码学技术产生的数据区块有序链接而成，每个区块包含一定时间内产生的不可篡改信息。

下面使用Python语言一步步打造一个简单的区块链原型。

区块结构

学习区块链，就要先从区块的结构开始说起，因为价值信息就存在区块中，比如比特币的区块存储的是交易记录。除此以外，区块还含有一些技术信息，来维持区块的结构，抽取其中最关键的5个技术信息，分别是下标（Index），时间戳（Timestamp），前一个区块的哈希值（Previous Hash）和当前区块的哈希值（Current Hash），下面用类来封装这些信息，Python代码如下：

import hashlib

class Block(object):
    def __init__(self, index, data, prev_hash, timestamp):
        self.index = index
        self.data = data
        self.prev_hash = prev_hash
        self.timestamp = timestamp
        self.cur_hash = self.do_hash(index, data, prev_hash, timestamp)    
    def do_hash(self, *args):
        sha256 = hashlib.sha256()        
        for arg in args:
            sha256.update(str(arg).encode('utf-8'))        
        return sha256.hexdigest()

index、timestamp、prev_hash和cur_hash这四个技术信息构成了区块的头部数据，这是一个独立的数据结构；data参数储存价值信息，比如交易记录，也是一个单独的数据结构，但是在这里为了使其简单、便于理解，就混合在一个结构中。

上面代码的do_hash方法，是用来对区块进行哈希加密的，跟「挖矿」无关，没有解决工作量证明（POW）的问题，计算哈希是区块链中的重要环节。这里把区块里的字段数据关联起来后，使用SHA256算法进行哈希计算，得出当前哈希值cur_hash。

区块链结构

区块链本质上就是一个拥有特定结构的数据库，是一个有序且反向链接的列表，在这个列表里，区块按照插入的顺序排列，通过prev_hash这个字段找到上一个区块的哈希值，把每一个区块都链接到上一个区块上，如下图所示：

下面我创建了一个Manager类，用来封装区块链的一些操作，达到维护区块链结构的目的：

import datetime
class Manager(object):    
    """Blockchain manager"""

    blockchain = []

    def __init__(self):
        self.origin_index = 0
        self.origin_prev_hash = '0'
        self.origin_data = 'origin block'
        self.origin_timestamp = datetime.datetime(2016, 4, 1, 0, 0).timestamp()
        Manager.blockchain.append(self.get_origin_block())

比特币使用LevelDB来存储区块链，为了简化，在上面代码上使用Python的列表（List）把区块链直接存储在内存中。刚刚初始化的时候区块链中没有区块，为了能够不断添加新的区块，我们需要区块链中至少有一个区块，这第一个区块被称为「创始块（Genesis Block）」，下面给出创建「创始块」的方法：

class Manager(object):
    ...
    def get_origin_block(self):
        return  Block(self.origin_index, self.origin_data, self.origin_prev_hash,
            self.origin_timestamp)
    ...

有了「创始块」之后，就可以根据当前最新的区块生成下一个区块，代码如下：

class Manager(object):
    ...
    def get_latest_block(self):
        return Manager.blockchain[-1]

    def generate_next_block(self, new_data):
        prev_block = self.get_latest_block()
        next_index = prev_block.index + 1

        next_timestamp = datetime.datetime.now().timestamp()
        return  Block(next_index, new_data, prev_block.cur_hash, next_timestamp)
    ...

结论

以上创建了一个简单的区块链原型，只是一个区块列表，真正的区块链在添加区块的时候需要经历大量的计算，这个过程就是传说中的「工作量证明」（POW，Proof-Of-Work），并且还需要全网「共识机制」的认可。