比特幣漲瘋了，區(qū)塊鏈是什么鬼？

2020 年底，數(shù)字貨幣鼻祖，比特幣，高歌猛進，突破了驚人的 3萬美元，直逼4萬美元，再一次引起世人的眼球，又是一場褒貶不一，血雨腥風……

我們作為有頭腦、有理智、有技術(shù)的人，不能像大多數(shù)人那樣趨之若鶩，看個熱鬧就完了。那么這么厲害的、建立在計算機和網(wǎng)絡(luò)之上的比特幣，它的底層技術(shù)是什么呢？又，是如何才能實現(xiàn)的呢？

今天，我們用不到 50 行的代碼，了解和領(lǐng)略一下比特幣底層技術(shù) —— 區(qū)塊鏈的魅力吧，另外還有在實際項目中的應用噢，讓同事刮目相看的機會來了，開干

什么是區(qū)塊鏈

簡單來說，區(qū)塊鏈就是一系列的記錄的集合，可以理解成數(shù)據(jù)庫，不同的是，這些記錄直接都通過一種類型鏈的東西串聯(lián)在一起

如果鏈上的一個環(huán)節(jié)出了問題，那么它后面的記錄就有問題，因此必須保證鏈上的記錄都是真實可靠的鏈在一起的

也就是，后面的記錄加入之前，需要和前面的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)起來才能加入

可想而知，這樣的方式可以有效地防止數(shù)據(jù)被篡改，比如前面的數(shù)據(jù)被修改后，后面的數(shù)據(jù)與前面的數(shù)據(jù)將不匹配，很快就可以發(fā)現(xiàn)

這就是區(qū)塊鏈的基本概念，就在這個簡單的概念上，區(qū)塊鏈催生了新的、完全數(shù)字化的貨幣，這些貨幣并不是由中心控制系統(tǒng)控制的，而是分布在整個互聯(lián)網(wǎng)上，如比特幣和萊特幣。

而且區(qū)塊鏈技術(shù)還在不斷地革新，例如以太坊，Mixin 等等

區(qū)塊鏈的原理

區(qū)塊鏈的概念看起來挺簡單的，實現(xiàn)原理是什么呢？

這里就需要了解一個概念，那就是 數(shù)字簽名，也可以叫做 不對稱加密

因為信息是由一系列字符成的，對于一個區(qū)塊的記錄來說，也可以看出一系列的字符，比如一個表示姓名和年齡的字符串:

name:Tom;age:18

對這個字符串進行 Md5 加密(一種常用的數(shù)字簽名算法)，會得到類似這樣的字符串：

from?hashlib?import?md5

m?=?md5()
m.update(b"name:Tom;age:18")
m.hexdigest()
#?'ca8d85b134922fe48d17bf36ceb38046'??當前記錄的特征碼

可以理解為記錄的一個特征碼

如果再來一條記錄：name:Jim;age:19

特征碼很好計算，不過怎么和上一條記錄鏈接起來呢？

方法就是將上一個記錄的特征碼，一起編織在這一條的特征碼中，例如：

lastHash:ca8d85b134922fe48d17bf36ceb38046;name:Jim;age:19

然后得到特征碼：

from?hashlib?import?md5

m?=?md5()
m.update(b"lastHash:ca8d85b134922fe48d17bf36ceb38046;name:Jim;age:19")
m.hexdigest()
#?'82391695a3760b2de1c92d512b83cc14'??當前記錄的特征碼

這樣就完成了記錄直接的鏈接

經(jīng)驗一條記錄是否被修改，或者連續(xù)，只需要對這條記錄和其上一記錄一起重算一次特征碼就好了

當然，比特幣，或者由實際應用的區(qū)塊鏈會更為復雜，比如字段、加密算法等

實現(xiàn)一個區(qū)塊鏈

下面，我們來實現(xiàn)一個比較完整的區(qū)塊鏈

首先定義一個區(qū)塊類：

class?Block:
????def?__init__(self,?index,?timestamp,?data,?previous_hash):
????????self.index?=?index
????????self.timestamp?=?timestamp
????????self.data?=?data
????????self.previous_hash?=?previous_hash
????????self.hash?=?self.hash_block()

????def?hash_block(self):
????????sha?=?hasher.sha256()
????????sha.update((str(self.index)?+?str(self.timestamp)?+?str(self.data)?+?str(self.previous_hash)).encode("utf-8"))
????????return?sha.hexdigest()

• 初始化方法中，初始化了當前區(qū)塊的索引、時間戳、數(shù)據(jù)（業(yè)務相關(guān)的信息）、緊前區(qū)塊（上一個區(qū)塊）的特征值，和當前區(qū)塊的特征值
• hash_block 根據(jù)初始化中的一些信息，得到一個特征值，就是用它來計算當前區(qū)塊的特征值

接下來，區(qū)塊鏈中的第一個區(qū)塊的特征值如何計算，它的緊前特征值是什么？

我們來定義一個產(chǎn)生 起始區(qū)塊 的方法：

def?create_genesis_block():
????#?手工創(chuàng)建第一個區(qū)塊，其索引為?0，且隨意取給緊前特征值?'0'
????return?Block(0,?date.datetime.now(),?"Genesis?Block",?"0")

然后，我們定義一個生成新區(qū)塊的方法：

def?next_block(last_block):
????this_index?=?last_block.index?+?1
????this_timestamp?=?date.datetime.now()
????this_data?=?"Hey!?I'm?block?"?+?str(this_index)
????this_hash?=?last_block.hash
????return?Block(this_index,?this_timestamp,?this_data,?this_hash)

• 參數(shù)是 緊前 區(qū)塊對象
• 對索引做遞增處理
• 得到當前時間戳
• 產(chǎn)生區(qū)塊業(yè)務數(shù)據(jù)（為了簡便只做了相對固定的內(nèi)容）
• 記錄上個區(qū)塊的特征值
• 最后根據(jù)以上信息，得到一個新區(qū)塊

現(xiàn)在所有的基礎(chǔ)工作已經(jīng)完成了，我們建立一個區(qū)塊數(shù)據(jù)庫，即區(qū)塊鏈，并計入第一個區(qū)塊

blockchain?=?[create_genesis_block()]

最后我們模擬一個產(chǎn)生區(qū)塊的過程：

#?設(shè)置產(chǎn)生區(qū)塊的個數(shù)
num_of_blocks_to_add?=?20

#?產(chǎn)生區(qū)塊并加入?yún)^(qū)塊鏈
for?i?in?range(0,?num_of_blocks_to_add):
????previous_block?=?blockchain[-1]
????block_to_add?=?next_block(previous_block)
????blockchain.append(block_to_add)
????#?發(fā)布當前區(qū)塊的信息
????print("Block?#{}?has?been?added?to?the?blockchain!".format(block_to_add.index))
????print("Hash:?{}\n".format(block_to_add.hash))

運行后，我們可以得到如下結(jié)果：

Block #1 has been added to the blockchain!
Hash: 788ec79310315740f7df959e03c8788f102c3e02d6b6ce6488ed7b7d04cc3e01

Block #2 has been added to the blockchain!
Hash: 5b6c6e0be9659ae359356015ffe9ba9e4645f181d848bfd5127dd24d29f1747c

Block #3 has been added to the blockchain!
Hash: c40e3accb5de25728770754f24d7504cc72b8138d465f5d8f1b84ad149c9b59c

Block #4 has been added to the blockchain!
Hash: 9a118b7c8b90aaab2fe6a59dd84224adb90ba4af8aaa03bf4c9b08799cc81d9b

Block #5 has been added to the blockchain!
Hash: f8fbd5b6684d926fb96dd36b89f61db3c868...<省略>...

顯示的結(jié)果就是區(qū)塊鏈上的信息

實際當中，是在分布式環(huán)境下運行的，需要考慮更多的因素，如調(diào)度，合并，以及選舉等，加密算法也需要更為安全，例如常用的是 橢圓曲線加密算法(ECC), 來加強區(qū)塊鏈的安全性和可靠性，但最基本的實現(xiàn)邏輯是一樣的。

應用

有句虐心的話：

明白了很多道理，卻還是過不好這一生

雖然粗淺地了解了區(qū)塊鏈的基本概念和實現(xiàn)，然而有什么用呢？

既不能取改比特幣（再說也不需要改），也不能創(chuàng)建一個區(qū)塊鏈應用（雖然不是不可能）

不過這種思想可以在很多地方得到應用

這里我列舉一個我實際工作中的例子：

在一個項目上，需要實現(xiàn)一個審計日志功能，基本要求就是需要連續(xù)并防篡改

如果不了解區(qū)塊鏈的算法的話，可能需要考慮半天，然后得到一個蹩腳的方式，比如用額外的記錄來控制日志記錄，或者記錄關(guān)聯(lián)關(guān)系（之前確實這么干過）

現(xiàn)在，只需要在記錄中增加兩個字段：上一個記錄的特征碼 和 當前特征碼

再實現(xiàn)一個，根據(jù)指定字段，計算特征碼的方法

為了便于識別，再加一個檢驗方法，就好了

除了這樣的應用，你還能想到哪些應用呢？歡迎留言交流

總結(jié)

截至寫稿(2021年1月9日)，比特幣的價格已經(jīng)接近 27 萬了，如此受熱捧（也不是一直這么熱，理財有風險，投資需謹慎），而其內(nèi)在原理竟然如此簡單

基于加密算法就可以完成可以承載巨大信息量的數(shù)據(jù)貨幣世界，這就是所謂 越簡單的, 就越有效和穩(wěn)定 的恰當解釋

無論什么事物，總有其內(nèi)在的基本原理和理論做支撐，只有了解和掌握了其內(nèi)部原理，才能更好地認識一個事物，我們只需要多一些好奇心，多一點耐心就好，比心

參考

• 區(qū)塊鏈白皮書: https://bitcoin.org/bitcoin.pdf
• https://zhuanlan.zhihu.com/p/28595570
• https://zhuanlan.zhihu.com/p/101907402