SHA:如何用 Python 快速開發一個區塊鏈數據結構？

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》。

亞馬遜推出類似元宇宙游戲指導用戶如何運用AWS:3月16日消息，亞馬遜發布了一款類似元宇宙的在線角色扮演游戲。在這款名為“AWS Cloud Quest”的游戲中，用戶可以創建自己的虛擬角色，在虛擬城市中穿梭，幫助居民解決與云相關的技術問題。亞馬遜表示，推出Cloud Quest是為了幫助解釋亞馬遜云服務（AWS）核心服務和類別，包括計算、存儲、數據庫和安全服務，以及指導基本云解決方案的構建。（CNBC）[2022/3/16 13:59:49]

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。

邁阿密市長：正探索如何接受比特幣納稅:金色財經報道，邁阿密市長Francis Suarez表示，該城市正在探索如何接受使用比特幣進行的納稅，從而在采用比特幣方面邁出下一步。根據市長的說法，市政府官員已經開始立法程序，有朝一日允許使用比特幣支付稅款、費用等。[2021/9/29 17:13:51]

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。

來看一個例子：

直播｜Claire Wu&馬靜 > 穩定幣和DeFi如何出圈:金色財經 · 直播主辦的《 幣圈 “后浪” 仙女直播周》第6期直播中，本期“后浪”仙女魔笛手技術開發社區創始人Claire Wu & MYKEY市場負責人 馬靜將在直播間聊聊“穩定幣和DeFi如何出圈”，感興趣的朋友掃碼移步收聽！[2020/6/24]

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 | 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]

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。

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：

韓國將于7日在國會召開‘虛擬貨幣制度化，該如何接近’研討會:最近對虛擬貨幣的擔憂和關注，虛擬貨幣相關學界及業界專家和政府核心相關人員將于韓國時間7日早上9點30分在韓國國會第二會議室中召開‘虛擬貨幣制度化，該如何接近’的研討會。[2018/2/6]

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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