如何用 Python 快速開發一個區塊鏈數據結構？_比特幣:SHA

作者|arjunaskykok

整理|Aholiab

出品|區塊鏈大本營

根據IEEE此前的一項調查，Python已成為最受開發者歡迎的語言之一。由于其對于技術小白天然友好的特性，以及不斷更新的新功能。Python越來越受到國內外開發者的喜愛。越來越多被用于獨立、大型項目的開發開始使用Python。

20世紀90年代初荷蘭人GuidovanRossum為了打發圣誕節的無趣，決心開發一個新的腳本解釋程序，作為ABC語言的一種繼承。

之所以選中Python作為該編程語言的名字，是取自英國20世紀70年代首播的電視喜劇《蒙提.派森的飛行馬戲團》。

Coinbase Wallet推出交易模擬功能，可了解智能合約代碼如何處理加密資產:金色財經報道，據 Coinbase Wallet 社交媒體賬戶透露，Coinbase Wallet 已推出交易模擬功能，通過自動模擬兼容 EMV 網絡上授權交易時將執行的代碼，用戶可以了解哪些資產將離開自己的錢包，以及收回相關資產的近似估值。Coinbase 表示，該功能的主要目的是讓用戶清楚地了解區塊鏈應用程序或智能合約將如何處理他們的加密資產。[2022/11/21 7:52:42]

對于區塊鏈開發者來說，Python也是十分實用的語言之一。今天，我們就Python開發一個簡單的區塊鏈數據結構。

在這篇文章中，一方面我們會對區塊鏈數據結構的基本概念進行講解，例如哈希的工作原理，另一方面，也會以實際代碼來構建一個區塊鏈基本的數據結構，讓你對區塊鏈和Python的基礎有個基本的理解。

說不多說，下面就進入正題！

從哈希函數說起

在區塊鏈中，數據結構是十分重要的基本組成部分，尤其是比特幣。雖然單一的數據結構無法構建成加密數字貨幣，但理解數據結構對于理解區塊鏈的基本原理是非常有益處的。

《“區塊鏈+”如何重構內容產業生態》獲第三十一屆中國新聞獎三等獎:金色財經報道，人民日報（2021年11月08日 第?17版）發布第三十一屆中國新聞獎獲獎作品目錄，《“區塊鏈+”如何重構內容產業生態》獲第三十一屆中國新聞獎三等獎，刊播單位：新聞與寫作?，報送單位：北京記協。[2021/11/8 6:37:41]

但在講數字結構之前，我們還是先從哈希講起，以比特幣的SHA-256哈希函數為例，講講如何利用Python去實現哈希的運算。

哈希函數，又稱散列算法，是一種從任何一種數據中創建小的數字“指紋”的方法。散列函數把消息或數據壓縮成摘要，使得數據量變小，將數據的格式固定下來。該函數將數據打亂混合，重新創建一個叫做散列值的指紋。散列值通常用一個短的隨機字母和數字組成的字符串來代表。

對于任意長度的消息，SHA256都會產生一個256bit長的哈希值，稱作消息摘要。

這個摘要相當于是個長度為32個字節的數組，通常用一個長度為64的十六進制字符串來表示。

動態 | 巴西里約熱內盧司法部門討論區塊鏈如何提高公眾透明度:據Cointelegraph 12月6日消息，在由里約熱內盧里約熱內盧州司法學院(EMERJ)組織的一個常設論壇上，里約熱內盧的司法部門將討論區塊鏈如何有助于提高公共透明度。[2019/12/7]

來看一個例子：

這句話，經過哈希函數SHA256后得到的哈希值為：

說回SHA-256，說白了，它就是一個哈希函數。那么我們如何用Python來實現呢？下面代碼展示了用Python實現「helloworld」的過程：

看到這里你可能會問，SHA-256中的「256」究竟是什么意思？哈希算法是一個將任意文本轉換為一個256位隨機二進制字符串的過程。在上面的例子中，「helloworld」是一個11位的字符，經過哈希運算以后，變成了這樣的一串字符：

b94d27b9934d3e08a52e52d7da7dabfac484efe37a5380ee9088f7ace2efcde9

聲音 | 美國商會Julie Stitzel：美國必須以不同方式思考如何將現有監管原則應用于數字資產:據Cointelegraph消息，美國商會資本市場競爭力中心副總裁Julie Stitzel表示，美國在金融部門通過和修改法律框架的歷史導致了強有力的監管結構，使市場穩定并有效管理風險。盡管數字資產市場仍處于萌芽階段，但存在著美國可能落后的風險和擔憂——錯過利用新興技術培育創新、創造就業和增長經濟的機會。作為世界上最大的經濟體，美國必須以不同的方式思考如何將現有的監管原則應用于數字資產——包括加密貨幣。對數字資產進行適當分類，并確定有權監管和監督數字資產的聯邦實體，這是為創新者提供監管清晰度的一種方式。[2019/8/5]

同樣，即使我的文本長度不是11位，生成的字符數也是一樣的。例如：

在上面例子中，「Iamthebestpresident.Ever.」，哈希運算之后的字符串一樣為64位。就算輸入的文本是100位，哈希運算后的字符位數也是64位。

聲音 | 肖磊：區塊鏈監管如何“去糟粕而留精華”存在挑戰:據騰訊科技報道，肖磊發表專欄文章稱，虛擬幣市場有其特殊性，這可能會給監管帶來一定的挑戰和困擾。由于虛擬幣這個概念，實際上來自于其底層技術“區塊鏈”，如果站在監管層的角度，其中一個考慮是，去糟粕而留精華，把炒作虛擬幣這個糟粕去掉，而留下“區塊鏈”這個精華，這個可能會存在很大的挑戰。[2018/8/23]

之所以這樣，是因為字符是16進制的，如果我們把這樣的字符串轉換為2進制，那么就會得到一個256位的2進制字符串。如下圖所示：

這就是SHA-256中，256這個數字的由來。

接下來我們就來看看哈希算法有哪些特征。哈希的特征之一就是「無沖突原則」。這個原則是指要得到一個256位的2進制字符串，顯然有不止一個輸入可以做到。

因為256位的輸出長度是固定的，但輸入的長度卻沒有限制，所以輸入的范圍要遠大于輸出，只要能夠窮盡輸入，就有可能得到2個一樣的256位的輸出。

話雖如此，不過要找到這樣兩個輸入的難度卻很大。即使是輸入上改動了一點，輸出的結果都會完全不同。如下圖所示：

所以，想要找到2中一樣的輸出的唯一方法，是窮盡所有的字幕、數字組合，這幾乎無法做到。幾率為2的256次方。

這是個多大的數字？展開來就是醬嬸兒的：

115792089237316195423570985008687907853269984665640564039457584007913129639936

幾乎相當于10的77次方。這是個什么概念？在460億光年的宇宙內，可見的原子數量也只有10的78次方。這個數字幾乎相當于宇宙內的原子數量！

要運算這個數字需要多長時間？以英偉達Geforce1080Ti顯卡，浮點運算11.3的算力來運算，每個哈希需要運算3000次，以每秒鐘3766666666個哈希的速度來運算，找到兩個相同的哈希運算結果，需要計算2的128次方個哈希。地球上所有的人一起計算，需要的時間如下：

這比地球存在的實時間都要長。

用Python創建第一個區塊

了解了什么是哈希，我們接著就來說說什么是區塊。實際上，區塊鏈就是一個互相連接的序列。我們接下來創建第一個區塊，也稱為「創世區塊」。代碼如下所示：

區塊鏈中會包含交易，交易很好理解，就是誰轉了多少錢給誰。我們把區塊進行序列，這樣它就可以進行哈希運算：

這樣，我們就得到了另一個區塊，我們姑且稱它為「區塊2」：

再對區塊2進行哈希運算：

得到了「區塊3」。

再對區塊3進行哈希運算，得到了「區塊4」。

這樣一來，想要確定區塊上的數據沒有被篡改，我只需要檢查最后一個區塊的哈希就行了。而不是從創世區塊開始檢查。這一原理也杜絕了區塊鏈上數據被攢該的可能。

通過以上代碼，可以得到下面結果：

這樣，用Python實現簡單的區塊鏈開發的演示就結束了。Python是一門強大的語言，區塊鏈是一個強大的信用工具，這兩者結合，勢必能創造出新的可能性。

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