区块链技术被誉为信任的机器，它正在重塑金融、供应链、数字身份等众多领域。但对于许多开发者来说，它仍然像一个神秘的黑盒子。今天，我们将抛开炒作的泡沫，深入技术本质，用大约100行Python代码构建一个简易的区块链，并逐一解析其核心概念。
一、区块链是什么？一个简单的比喻
想象一个公共的记账本（ Ledger ）。这个本子的每一页（ Block ）都记录着多条交易信息，并且每一页的页眉都包含了前一页的摘要（ Hash ）。如果有人篡改了某一页的内容，那么这一页的摘要就会改变， subsequently 导致后续所有页的页眉信息都对不上，从而立刻被所有人发现。这个按时间顺序首尾相连的记账本，就是区块链。
二、核心概念与代码实现
我们将实现一个名为 SimpleBlockchain 的类，它包含以下核心功能：
-
区块结构 (Block Structure)
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哈希函数 (Hashing) - 保证数据不可篡改
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生成创世区块 (Genesis Block)
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工作量证明 (Proof-of-Work) - 保证挖矿难度
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链式结构 (Chaining Blocks) - 通过哈希连接
让我们开始写代码！
- 导入依赖库
我们主要需要两个库：hashlib 用于计算哈希，time 为区块提供时间戳。
```python
import hashlib
import time
```
- 定义区块结构
每个区块都包含一些关键信息：索引、时间戳、数据、前一个区块的哈希、当前区块的随机数（Nonce）和自身的哈希。
```python
class Block:
def init(self, index, timestamp, data, previous_hash):
self.index = index
self.timestamp = timestamp
self.data = data # 在真实区块链中，这通常是交易列表的Merkle根
self.previous_hash = previous_hash
self.nonce = 0 # 用于工作量证明的随机数
self.hash = self.calculate_hash() # 计算当前区块的哈希值
def calculate_hash(self):
将区块的所有信息组合成一个字符串，并计算其SHA-256哈希值
block_string = f"{self.index}{self.timestamp}{self.data}{self.previous_hash}{self.nonce}".encode()
return hashlib.sha256(block_string).hexdigest()
```
代码解析:
· previous_hash：这是链式结构的核心！它指向上一个区块，从而形成了链。任何对旧区块的修改都会导致其哈希变化，进而破坏整个后续链。
· calculate_hash 方法：它接收区块的所有属性（包括 nonce），生成一个唯一的、固定长度的"数字指纹"（哈希值）。SHA-256算法保证了计算的单向性，即极易验证但极难破解。
- 创建区块链类
区块链类负责管理链，提供添加新区块的方法。
```python
class SimpleBlockchain:
def init(self):
self.chain = [self.create_genesis_block()] # 初始化链，并创建创世区块
self.difficulty = 4 # 工作量证明的难度，表示哈希值必须以多少个'0'开头
def create_genesis_block(self):
创世区块是第一个区块，没有前一个区块，所以previous_hash设为0
return Block(0, time.time(), "Genesis Block", "0")
def get_latest_block(self):
return self.chain[-1]
```
代码解析:
· create_genesis_block：区块链的第一个区块是特殊的，它没有前任，必须被硬编码到系统中。
· difficulty：这是一个动态调整的参数，用来控制"挖矿"（生成新区块）的速度。难度值越大，找到有效哈希所需的计算时间就越长。
- 实现工作量证明 (Proof-of-Work)
这是区块链（尤其是比特币）的灵魂所在。矿工需要通过大量计算找到一个满足特定条件的 nonce 值。
```python
def proof_of_work(self, block):
目标：找到一个nonce，使得区块的哈希值的前difficulty位是0
target = '0' * self.difficulty
while block.hash[:self.difficulty] != target:
block.nonce += 1 # 不断尝试新的nonce值
block.hash = block.calculate_hash() # 重新计算哈希
print(f"Block mined: {block.hash}")
return block
```
代码解析:
· 矿工（proof_of_work 函数）不断地改变 nonce 的值，并重新计算区块哈希。
· 只有当计算出的哈希值的前 difficulty 位都是 '0' 时，才算成功。
· 这个过程极其耗时且耗电，但验证却非常容易（只需计算一次哈希并检查前导零）。这就是"工作量证明"的含义------它证明了矿工投入了真实的计算资源。
- 添加新区块
现在，我们可以将挖矿成功后的区块添加到链上。
```python
def add_block(self, new_block):
new_block.previous_hash = self.get_latest_block().hash # 设置新区块的previous_hash
new_block = self.proof_of_work(new_block) # 执行挖矿！
self.chain.append(new_block) # 将挖矿后的有效区块添加到链上
def is_chain_valid(self):
for i in range(1, len(self.chain)):
current_block = self.chain[i]
previous_block = self.chain[i-1]
检查1：当前区块存储的哈希值是否真的等于它计算出的哈希值？
if current_block.hash != current_block.calculate_hash():
print(f"Data tampered in block {current_block.index}!")
return False
检查2：当前区块的previous_hash是否等于上一个区块的哈希值？
if current_block.previous_hash != previous_block.hash:
print(f"Chain broken between block {previous_block.index} and {current_block.index}!")
return False
return True
```
代码解析:
· add_block：在添加区块前，必须先进行耗时的挖矿过程。这保证了区块不能随意被添加，确保了网络的安全性和一致性。
· is_chain_valid：验证区块链的完整性。它会遍历整个链，检查每个区块的哈希是否正确，以及区块间的链接是否未被破坏。任何微小的篡改都会导致 calculate_hash() 的结果与存储的 hash 不匹配。
三、测试我们的迷你区块链
让我们运行一下，看看它的效果。
```python
初始化我们的区块链
my_blockchain = SimpleBlockchain()
print("Mining block 1...")
my_blockchain.add_block(Block(1, time.time(), "Alice pays Bob 1 BTC", ""))
print("Mining block 2...")
my_blockchain.add_block(Block(2, time.time(), "Bob pays Charlie 0.5 BTC", ""))
打印所有区块
for block in my_blockchain.chain:
print(f"Index: {block.index}")
print(f"Hash: {block.hash}")
print(f"Previous Hash: {block.previous_hash}")
print(f"Data: {block.data}")
print(f"Nonce: {block.nonce}\n")
验证区块链是否有效
print(f"Is blockchain valid? {my_blockchain.is_chain_valid()}")
尝试篡改数据！
print("\nAttempting to tamper with data...")
my_blockchain.chain[1].data = "Alice pays Bob 100 BTC" # 修改第一个区块的数据
由于数据被修改，它的哈希值变了，但后续区块的previous_hash指向的还是旧的、错误的哈希。
print(f"Is blockchain valid after tampering? {my_blockchain.is_chain_valid()}") # 输出：False
```
输出结果示例:
```
Mining block 1...
Block mined: 0000a1b2c3d4...（哈希值以4个0开头）
Mining block 2...
Block mined: 0000e5f6g7h8...（哈希值以4个0开头）
Index: 0 (Genesis Block)
Hash: 89ab...
Previous Hash: 0
...
Index: 1
Hash: 0000a1b2c3d4... # 以0000开头
Previous Hash: 89ab... # 指向创世区块的哈希
Data: Alice pays Bob 1 BTC
Nonce: 68452 # 一个很大的数字，说明矿工尝试了68452次才找到有效的nonce
...
Is blockchain valid? True
Attempting to tamper with data...
Data tampered in block 1! # 验证函数发现了数据被篡改
Is blockchain valid after tampering? False
```
四、总结与展望
通过这不到100行的代码，我们实现了一个具备核心功能的区块链：
· 不可篡改性：通过哈希函数保证，修改数据会立即使哈希失效。
· 链式结构：通过 previous_hash 将区块按时间顺序链接起来。
· 工作量证明：通过挖矿机制保证网络的安全性和去中心化共识。
当然，这只是一个极其简化的模型。一个生产级的区块链（如比特币、以太坊）要复杂得多，它还包括：
· 点对点网络：节点如何发现和通信。
· 交易模型：UTXO（比特币）或账户余额（以太坊）。
· ** Merkle 树**：高效地验证大量交易的存在性。
· 共识算法：PoW（工作量证明）之外的PoS（权益证明）等。
· 智能合约：在区块链上运行的自动化代码。