简单区块链Python实现

快来打我* 2023-05-29 05:14 150阅读 0赞

# 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。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3h5aXN2_size_16_color_FFFFFF_t_70]

# 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。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3h5aXN2_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]

## 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

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3h5aXN2_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]

# 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)

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3h5aXN2_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]

# 参考文献 #

https://segmentfault.com/a/1190000014483104  
https://blog.csdn.net/qq874455953/article/details/83718022

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