从零开始自己动手写区块链

本书是一本区块链底层开发入门图书，全书围绕作者开发的区块链模拟器，从原理和程序实现两个方面介绍了区块链开发技术。书中首先通过一个数字货币发行的故事，介绍了区块链的专业术语和工作原理；然后结合区块链模拟器的程序实现过程，介绍了区块链的关键技术细节。毫不夸张地讲，本书是一本手把手带领读者学习区块链开发的图书。

本书共7章。第1章从一个数字货币发行的故事引出了区块链，并围绕该故事介绍了区块链的基本原理和常见概念；第2章对区块链模拟器的基本功能和架构做了具体介绍，并对Python入门知识做了简单介绍；第3章介绍了区块链的加密技术，包括哈希算法、椭圆曲线加密和钱包等，并对热门的格密码进行了初步探讨；第4章介绍了UTXO模型中交易的数据结构，以及交易的创建和独立验证有效性的过程；第5章介绍了区块的数据结构、区块头的组成和意义、梅克尔树的作用和实现、创世区块所包含的内容、区块如何链接成区块链等；第6章以工作量证明（POW）共识算法为例，介绍了区块链达成全网共识的整个过程；第7章从专业技术角度进一步探讨了区块链技术的一些相关话题。

本书内容通俗易懂，讲解犹如庖丁解牛，非常适合区块链开发人员作为自己的第【yi】本区块链技术读物，也适合区块链爱好者作为兴趣读物。另外，本书还适合作为区块链培训班的教材及需要了解区块链知识的相关领导干部的学习指导书。

裴尧尧 博士，有限元开源框架Feon的开发者。目前任教于湖北工业大学，从事算法研究与教学工作。擅长Python语言，热爱区块链技术，是区块链技术的推崇者。对区块链的底层实现有较为深入的研究，希望能为区块链的发展尽绵薄之力。著有《Python与有限元》一书，广受读者好评。

通过数字货币发行的故事剖析区块链的基本原理，大大降低了理解区块链的门槛。

绘制了近90幅与区块链相关的插图，便于读者更加透彻地理解区块链技术。

围绕区块链模拟器展开讲解，将区块链的核心环节通过代码实现，便于读者从整体上理解区块链的开发思路，并亲自动手实践区块链开发的重要环节。

通过区块链模拟器的动态展示，让读者直观地体验发币、挖矿、交易等数字货币发行的重要环节。

用Python语言实现区块链模拟器的开发，可大大降低区块链开发的学习门槛。

对区块链开发的关键技术进行了算法归纳和程序实现，便于读者深入理解区块链的底层技术。

绘制了漫画插图展示数字货币发行的故事，让抽象、复杂的区块链变得形象、直观。

提供了区块链技术学习与讨论QQ交流群，便于读者相互交流和学习，并提供售后服务。

本书核心技术要点

椭圆曲线加密的原理及程序实现

非确定性钱包与分层确定性钱包的程序实现

工作量证明共识算法的原理和程序实现

梅克尔树根哈希的原理和程序实现

随机数攻击与签名明文攻击的原理与程序实现

为何写作这本书

身边的很多朋友听说笔者了解区块链，便向笔者咨询数字货币（如比特币）是否值得购买或投资。于是笔者做了一个简单的测试，并尝试和有过交流的人发起一些关于区块链的讨论。从这些讨论中得出了两个结论：

90%以上的人从不同渠道听说过区块链。

80%以上的人将区块链等同于比特币。

这让笔者感到非常惊讶。区块链在社会群体中迅速传播，但是传播者和接收者却对其最基本的概念都没有弄明白，而将其等同于数字货币。这可能会让一些不法之徒有机可乘。由于笔者关注的侧重点主要是区块链的底层技术，并没有意识到原来区块链在社会生活中都已经如此火爆，看到很多人对区块链有严重的认识误区，所以萌生了写一本区块链技术图书的念头。

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笔者是区块链的推崇者，被区块链完美的构思所深深折服，因此有意为区块链的发展添砖加瓦。笔者想先解决区块链学习资料匮乏的问题，写作一本通俗易懂的区块链读物。这本书既能让大多数人看懂区块链的基本原理，也能引领技术人员在较短的时间内比较轻松地掌握区块链开发的相关技术，从而跨入区块链开发的大门。希望有更多的读者能够加入区块链的学习、研究和开发实践中来，通过大家的努力来构建成熟的区块链理论体系和标准。

本书有何特色

本书通过通俗易懂且饶有趣味的数字货币发行故事，向读者剖析了区块链的基本原理，并穿插介绍了区块链的相关概念和术语，这大大降低了理解区块链的门槛，使得大多数人都可以理解区块链的基本原理。

区块链的构思是精妙的，但其较为复杂和抽象，要想透彻理解并不容易。为了让读者更好地理解它，笔者耗费大量时间绘制了近90幅与区块链相关的原理图，这必将对读者透彻地理解区块链有很大的帮助。

本书围绕笔者开发的区块链模拟器展开讲解，将区块链中的加密、创建交易、创建区块、区块的链接、去中心化等核心环节通过实际代码实现，让读者能够从整体上理解区块链开发的思路，并亲自动手实践区块链开发的重要环节。

本书中的区块链模拟器虽然只是一个初级产品，但麻雀虽小，五脏俱全，读者完全可以通过该模拟器的动态展示，直观地体验发币、挖矿、交易等数字货币发行的重要环节，从而更好地理解区块链。

笔者用Python语言实现了区块链模拟器的开发，这大大降低了区块链开发的学习门槛。如果你具备Python编程基础，那么可以很顺利地实现书中的案例；如果你没有Python基础，但有其他编程语言基础，那么通过阅读本书第2章的Python入门知识，也可以比较顺利地实现书中的案例。

笔者在讲解过程中对区块链开发的各个关键技术进行了算法归纳和程序实现，便于开发人员更加深入地理解区块链的底层技术。

笔者请人为本书绘制了9幅漫画插图，穿插于各章。这些漫画插图生动而形象地展示了书中的数字货币发行故事，让抽象、复杂的区块链变得形象、直观，大大提升了读者的阅读体验。

本书提供了QQ交流群以方便读者进行区块链技术的学习与讨论。读者不但可以在群里相互交流和学习，而且还可以提出自己阅读本书时的疑问，或者其他意见和建议，笔者都会尽力解决。

为何做区块链模拟器

目前，区块链技术最成功的应用场景是发行数字货币，所以本书以数字货币为主题展开讲解（更准确地说是以比特币为蓝本）。比特币用户在比特币网络中创建交易、广播交易、验证交易、挖区块、将区块链接到区块链中，这一系列活动确保比特币系统的正常运行。遵照区块链技术的原理，笔者搭建了一个虚拟场景来模拟上述真实活动，这就是区块链模拟器。区块链模拟器使用者可以人为地设计任意环节，包括创建专属对等网络、添加任意数量节点、创建交易、广播交易、指定挖矿节点、修改共识机制、发动攻击等。通过这些环节，使用者可以以“上帝视角”了解区块链的工作原理，观察数据在网络中的传播，学习区块链如何抵御攻击。目前该模拟器就像一个数字货币发行机。

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为何用Python做区块链模拟器

首先，笔者希望没有编程基础的读者也能轻松地学习和使用区块链模拟器。笔者认为Python是一门优雅、明确和简单的编程语言。Python作为一门解释型语言，在教学上的先天优势是其他编译型语言无法比拟的。它入门简单，代码可读性强，非常容易掌握。这些都为初学者学习区块链技术降低了门槛。比如之前提到，模拟器实现单次区块链的共识只需要3行Python代码。

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本书包含哪些主要内容

第1章结合区块链故事介绍了区块链的基本原理和相关术语。

第2章介绍了区块链模拟器的设计和使用，以及Python编程入门知识。

第3章介绍了区块链中的加密技术，包括哈希算法、椭圆曲线加密和格密码等。

第4章介绍了区块链中的交易，包括一般交易形式的数据结构及创建、广播和验证的相关知识，以及如何自定义交易形式。

第5章介绍了区块和区块链，包括区块的数据结构、区块头的组成和意义、梅克尔树的作用和实现、创世区块所包含的内容、区块如何链接成区块链及区块链的分类等。

第6章介绍了区块链的去中心化共识，包括工作量证明（POW）共识算法的原理和程序实现，以及Raft协议的原理。

第7章探讨了区块链技术的相关话题，以及笔者对区块链未来发展的展望。

本书读者对象及阅读建议

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本书配套资源获取方式

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勘误与售后支持

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致谢

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第1章 区块链原理简介 1

1.1 区块链简要发展史 2

1.1.1 什么是比特币 2

1.1.2 比特币与区块链的关系 2

1.2 什么是中心化 3

1.2.1 交易 3

1.2.2 数字货币 3

1.2.3 复式记账法 4

1.2.4 未消费交易输出 6

1.2.5 中心化 7

1.2.6 区块与区块链 8

1.2.7 创世区块 9

1.3 去中心化原理 11

1.3.1 分布式存储 12

1.3.2 对等网络 12

1.3.3 交易池 14

1.3.4 “挖矿” 16

1.3.5 创币交易 17

1.3.6 工作量证明 18

1.3.7 共识与共识算法 19

1.3.8 确认 20

1.3.9 诚实节点和恶意节点 20

1.3.10 区块链分叉 21

1.3.11 双重支付 24

1.3.12 虚拟机 25

1.3.13 矿机和矿池 26

1.4 遗留的问题 26

第2章 区块链模拟器及Python入门 29

2.1 区块链模拟器GUI简介 30

2.1.1 为什么写区块链模拟器 30

2.1.2 区块链模拟器GUI简介 30

2.2 Python入门 36

2.2.1 为什么是Python 37

2.2.2 Python基础知识 37

2.3 Simchain简介 59

2.3.1 什么是Simchain 59

2.3.2 Simchain设计 61

2.3.3 Simchain使用 67

2.4 区块链四要素 72

第3章 区块链中的加密 73

3.1 为什么需要加密 74

3.2 如何实现加密 74

3.2.1 哈希算法 74

3.2.2 私钥、公钥和地址 82

3.2.3 实数域上的椭圆曲线 88

3.2.4 有限域上的椭圆曲线 90

3.2.5 椭圆曲线加密 97

3.2.6 钱包 105

3.3 可能的破解算法 111

3.3.1 枚举法 111

3.3.2 BSGS算法 112

3.3.3 Pollard's rho算法 114

3.3.4 随机数攻击 115

3.3.5 如何保护私钥安全 117

3.4 格密码初探 118

3.4.1 抗量子计算密码 118

3.4.2 格基础知识 119

3.4.3 格问题 126

3.4.4 最短向量问题 128

3.4.5 最近向量问题 130

3.4.6 GGH数字签名 133

3.4.7 Lyubashevshy数字签名 135

第4章 交易 141

4.1 创建交易 142

4.1.1 交易的格式 142

4.1.2 交易的数据结构 143

4.1.3 UTXO与UTXO集 151

4.1.4 一般交易的创建 157

4.1.5 创币交易的创建 164

4.2 广播交易 165

4.3 验证交易 166

4.3.1 一般交易的验证 166

4.3.2 创币交易的验证 174

4.4 交易传播中的安全 174

4.4.1 签名明文攻击 174

4.4.2 创币交易的安全 176

4.5 可编程的交易 177

4.5.1 比特币脚本 177

4.5.2 脚本引擎的工作原理 177

4.5.3 堆栈机LittleMachine 183

4.5.4 多重签名 191

4.6 交易的“一生” 193

第5章 区块与区块链 195

5.1 区块 196

5.1.1 什么是区块 196

5.1.2 区块的数据结构 196

5.1.3 区块头 200

5.1.4 梅克尔树的构建 201

5.1.5 简易支付验证与SPV节点 205

5.2 区块链 211

5.2.1 区块链的构成 211

5.2.2 创世区块 213

5.2.3 区块链分类 217

第6章 去中心化共识 219

6.1 常见的共识算法 220

6.1.1 区块链中的共识 220

6.1.2 工作量证明POW 221

6.1.3 Raft协议 228

6.2 创建候选区块 233

6.2.1 交易选择策略 234

6.2.2 消失的交易 234

6.2.3 创建创币交易 234

6.2.4 创建候选区块 237

6.3 挖矿、打包、广播区块 239

6.3.1 “挖矿” 239

6.3.2 打包候选区块 239

6.3.3 广播区块 240

6.4 验证区块 241

6.5 区块链分叉 244

6.5.1 偶然分叉 244

6.5.2 硬分叉和软分叉 247

6.6 添加到区块链 248

6.6.1 比特币中的区块添加原则 248

6.6.2 51%攻击 252

6.6.3 Simchain中的区块添加原则 253

6.7 区块的“一生” 262

6.8 知识总结 263

第7章 杂谈 265

7.1 关于区块链常见问题的讨论 266

7.2 关于真假区块链项目的辨别 268

7.3 关于区块链技术的发展趋势 269

7.3.1 抗量子密码学 269

7.3.2 零知识证明 269

7.3.3 代码漏洞检测 271

7.4 关于以太坊与智能合约 271

7.5 关于区块链应用的愿想 272

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