详解python实现简单区块链结构

区块链

比特币从诞生到现在已经10年了,最近接触到了区块链相关的技术,为了揭开其背后的神秘面纱,我就从头开始构建一个简单的区块链。

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。

一、比特币内部结构

比特币内部结构有四部分：

1. previous hash: 上一个区块的hash
2. data:交易数据
3. time stamp:区块生成的时间戳
4. nonce:挖矿计算次数

二、实现的比特币结构

1. index ：当前区块索引
2. timestamp ：该区块创建时的时间戳
3. data ：交易信息
4. previous hash： 前一个区块的hash
5. hash: 当前区块的hash
6. nonce : 挖矿计算次数

注意：当前实现了一个简单的区块链结构，并不完整。

三、代码实现

1.定义区块的结构

代码如下：

"""
区块设计
"""
import time
import hashlib

class Block:
    # 初始化一个区块
    def __init__(self,previous_hash,data):
        self.index = 0
        self.nonce = ''
        self.previous_hash = previous_hash
        self.time_stamp = time.time()
        self.data = data
        self.hash = self.get_hash()
    # 获取区块的hash
    def get_hash(self):
        msg = hashlib.sha256()
        msg.update(str(self.previous_hash).encode('utf-8'))
        msg.update(str(self.data).encode('utf-8'))
        msg.update(str(self.time_stamp).encode('utf-8'))
        msg.update(str(self.index).encode('utf-8'))
        return msg.hexdigest()
    # 修改区块的hash值
    def set_hash(self,hash):
        self.hash = hash

2.创世区块构造

创世区块：没有前一个区块，这里的previous_hash和data是自己写死的。

# 生成创世区块，这是第一个区块，没有前一个区块
def creat_genesis_block():
    block = Block(previous_hash= '0000',data='Genesis block')
    nonce,digest = mime(block=block)
    block.nonce = nonce
    block.set_hash(digest)
    return block

这里的mime()函数是后面的挖矿函数.

3.挖矿函数定义

代码如下：

def mime(block):
    """
    挖矿函数——更新区块结构，加入nonce值
        block:挖矿区块
    """
    i = 0
    prefix = '0000'
    while True:
        nonce = str(i)
        msg = hashlib.sha256()
        msg.update(str(block.previous_hash).encode('utf-8'))
        msg.update(str(block.data).encode('utf-8'))
        msg.update(str(block.time_stamp).encode('utf-8'))
        msg.update(str(block.index).encode('utf-8'))
        msg.update(nonce.encode('utf-8'))
        digest = msg.hexdigest()
        if digest.startswith(prefix):
            return nonce,digest
        i+=1

4.定义区块链结构

代码如下：

"""
区块链设计
"""
from Block import *
# 区块链
class BlockChain:
    def __init__(self):
        self.blocks = [creat_genesis_block()]
    # 添加区块到区块链上
    def add_block(self,data):
        pre_block = self.blocks[len(self.blocks)-1]
        new_block = Block(pre_block.hash,data)
        new_block.index = len(self.blocks)
        nonce,digest = mime(block=new_block)
        new_block.nonce = nonce
        new_block.set_hash(digest)
        self.blocks.append(new_block)
        return new_block

在添加新区块到区块链时，先挖矿在将新区块加入区块链。

四、代码运行

测试代码：

from BlockChain import *
# 创建一个区块链
bc = BlockChain()
# 添加区块
bc.add_block(data='second block')
bc.add_block(data='third block')
bc.add_block(data='fourth block')
for bl in bc.blocks:
    print("Index:{}".format(bl.index))
    print("Nonce:{}".format(bl.nonce))
    print("Hash:{}".format(bl.hash))
    print("Pre_Hash:{}".format(bl.previous_hash))
    print("Time:{}".format(bl.time_stamp))
    print("Data:{}".format(bl.data))
    print('\n')

运行结果：

这里添加了4个区块（包括创世区块）,处了创世区块，每个区块的pre_hash都与前一个区块的hash值相等，这代表区块没有被篡改，数据有效。

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