如何用 Python 快速开发一个区块链数据结构?

作者 | arjuna sky kok

整理 | Aholiab

出品 | 区块链大本营（blockchain_camp）

根据IEEE此前的一项调查，Python已成为最受开发者欢迎的语言之一。由于其对于技术小白天然友好的特性，以及不断更新的新功能。Python越来越受到国内外开发者的喜爱。越来越多被用于独立、大型项目的开发开始使用Python。

20世纪90年代初荷兰人Guido van Rossum为了打发圣诞节的无趣，决心开发一个新的脚本解释程序，作为ABC 语言的一种继承。

之所以选中Python（大蟒蛇的意思）作为该编程语言的名字，是取自英国20世纪70年代首播的电视喜剧《蒙提.派森的飞行马戏团》（Monty Python's Flying Circus）。

对于区块链开发者来说，Python也是十分实用的语言之一。今天，我们就Python开发一个简单的区块链数据结构。

在这篇文章中，一方面我们会对区块链数据结构的基本概念进行讲解，例如哈希的工作原理，另一方面，也会以实际代码来构建一个区块链基本的数据结构，让你对区块链和Python的基础有个基本的理解。

说不多说，下面就进入正题！

从哈希函数说起

在区块链中，数据结构是十分重要的基本组成部分，尤其是比特币。虽然单一的数据结构无法构建成加密数字货币，但理解数据结构对于理解区块链的基本原理是非常有益处的。

但在讲数字结构之前，我们还是先从哈希讲起，以比特币的SHA-256哈希函数为例，讲讲如何利用Python去实现哈希的运算。

哈希函数，又称散列算法，是一种从任何一种数据中创建小的数字“指纹”的方法。散列函数把消息或数据压缩成摘要，使得数据量变小，将数据的格式固定下来。该函数将数据打乱混合，重新创建一个叫做散列值（或哈希值）的指纹。散列值通常用一个短的随机字母和数字组成的字符串来代表。

对于任意长度的消息，SHA256都会产生一个256bit长的哈希值，称作消息摘要。

这个摘要相当于是个长度为32个字节的数组，通常用一个长度为64的十六进制字符串来表示。

来看一个例子：

这句话，经过哈希函数SHA256后得到的哈希值为：

说回SHA-256，说白了，它就是一个哈希函数。那么我们如何用Python来实现呢？下面代码展示了用Python实现「hello world」的过程：

看到这里你可能会问，SHA-256中的「256」究竟是什么意思？哈希算法是一个将任意文本转换为一个256位随机二进制字符串的过程。在上面的例子中，「hello world」是一个11位的字符（只算字母），经过哈希运算以后，变成了这样的一串字符：

b94d27b9934d3e08a52e52d7da7dabfac484efe37a5380ee9088f7ace2efcde9

同样，即使我的文本长度不是11位，生成的字符数也是一样的。例如：

在上面例子中，「I am the best president. Ever.」（意为：我是史上最好的总统），哈希运算之后的字符串一样为64位。就算输入的文本是100位，哈希运算后的字符位数也是64位。

之所以这样，是因为字符是16进制的，如果我们把这样的字符串转换为2进制，那么就会得到一个256位的2进制字符串。如下图所示：

这就是SHA-256中，256这个数字的由来。

接下来我们就来看看哈希算法有哪些特征。哈希的特征之一就是「无冲突原则」。这个原则是指要得到一个256位的2进制字符串，显然有不止一个输入可以做到。

因为256位的输出长度是固定的，但输入的长度却没有限制，所以输入的范围要远大于输出，只要能够穷尽输入，就有可能得到2个一样的256位的输出。

话虽如此，不过要找到这样两个输入的难度却很大。即使是输入上改动了一点，输出的结果都会完全不同。如下图所示：

所以，想要找到2中一样的输出的唯一方法，是穷尽所有的字幕、数字组合，这几乎无法做到。几率为2的256次方。

这是个多大的数字？展开来就是酱婶儿的：

115792089237316195423570985008687907853269984665640564039457584007913129639936

几乎相当于10的77次方。这是个什么概念？在460亿光年的宇宙内，可见的原子数量也只有10的78次方。这个数字几乎相当于宇宙内的原子数量！

要运算这个数字需要多长时间？以英伟达Geforce 1080 Ti显卡，浮点运算11.3的算力来运算，每个哈希需要运算3000次，以每秒钟3766666666个哈希的速度来运算，找到两个相同的哈希运算结果，需要计算2的128次方个哈希。地球上所有的人一起计算，需要的时间如下：

这比地球存在的实时间都要长。

用Python创建第一个区块

了解了什么是哈希，我们接着就来说说什么是区块。实际上，区块链就是一个互相连接的序列。我们接下来创建第一个区块，也称为「创世区块」。代码如下所示：

区块链中会包含交易，交易很好理解，就是谁转了多少钱给谁。我们把区块进行序列，这样它就可以进行哈希运算：

这样，我们就得到了另一个区块，我们姑且称它为「区块2」：

再对区块2进行哈希运算：

得到了「区块3」。

再对区块3进行哈希运算，得到了「区块4」。

这样一来，想要确定区块上的数据没有被篡改，我只需要检查最后一个区块的哈希就行了。而不是从创世区块开始检查。这一原理也杜绝了区块链上数据被攒该的可能。

通过以上代码，可以得到下面结果：

这样，用Python实现简单的区块链开发的演示就结束了。Python是一门强大的语言，区块链是一个强大的信用工具，这两者结合，势必能创造出新的可能性。

【END】