用Python從零開始創(chuàng)建區(qū)塊鏈

Anleb 發(fā)布于2019-07-30 16:30 / 2713人閱讀

摘要：設(shè)變量，求的值用實(shí)現(xiàn)如下未知結(jié)果是因?yàn)樵诒忍貛胖校褂梅Q為的工作量證明算法，它和上面的問題很類似。礦工們?yōu)榱藸帄Z創(chuàng)建區(qū)塊的權(quán)利而爭相計算結(jié)果。通常，計算難度與目標(biāo)字符串需要滿足的特定字符的數(shù)量成正比，礦工算出結(jié)果后，會獲得比特幣獎勵。

本文主要內(nèi)容翻譯自Learn Blockchains by Building One ?本文原始鏈接,轉(zhuǎn)載請注明出處。作者認(rèn)為最快的學(xué)習(xí)區(qū)塊鏈的方式是自己創(chuàng)建一個，本文就跟隨作者用Python來創(chuàng)建一個區(qū)塊鏈。

對數(shù)字貨幣的崛起感到新奇的我們，并且想知道其背后的技術(shù)——區(qū)塊鏈?zhǔn)窃鯓訉?shí)現(xiàn)的。

但是完全搞懂區(qū)塊鏈并非易事，我喜歡在實(shí)踐中學(xué)習(xí)，通過寫代碼來學(xué)習(xí)技術(shù)會掌握得更牢固。通過構(gòu)建一個區(qū)塊鏈可以加深對區(qū)塊鏈的理解。

準(zhǔn)備工作

本文要求讀者對Python有基本的理解，能讀寫基本的Python，并且需要對HTTP請求有基本的了解。

我們知道區(qū)塊鏈?zhǔn)怯蓞^(qū)塊的記錄構(gòu)成的不可變、有序的鏈結(jié)構(gòu)，記錄可以是交易、文件或任何你想要的數(shù)據(jù)，重要的是它們是通過哈希值（hashes）鏈接起來的。

如果你還不是很了解哈希，可以查看這篇文章

環(huán)境準(zhǔn)備

環(huán)境準(zhǔn)備，確保已經(jīng)安裝Python3.6+, pip , Flask, requests 安裝方法：

pip install Flask==0.12.2 requests==2.18.4
同時還需要一個HTTP客戶端，比如Postman，cURL或其它客戶端。

參考源代碼（原代碼在我翻譯的時候，無法運(yùn)行，我fork了一份，修復(fù)了其中的錯誤，并添加了翻譯，感謝star）

開始創(chuàng)建Blockchain

新建一個文件 blockchain.py，本文所有的代碼都寫在這一個文件中，可以隨時參考源代碼

Blockchain類

首先創(chuàng)建一個Blockchain類，在構(gòu)造函數(shù)中創(chuàng)建了兩個列表，一個用于儲存區(qū)塊鏈，一個用于儲存交易。

以下是Blockchain類的框架：

class Blockchain(object):

def __init__(self):
    self.chain = []
    self.current_transactions = []
    
def new_block(self):
    # Creates a new Block and adds it to the chain
    pass

def new_transaction(self):
    # Adds a new transaction to the list of transactions
    pass

@staticmethod
def hash(block):
    # Hashes a Block
    pass

@property
def last_block(self):
    # Returns the last Block in the chain
    pass

Blockchain類用來管理鏈條，它能存儲交易，加入新塊等，下面我們來進(jìn)一步完善這些方法。

塊結(jié)構(gòu)

每個區(qū)塊包含屬性：索引（index），Unix時間戳（timestamp），交易列表（transactions），工作量證明（稍后解釋）以及前一個區(qū)塊的Hash值。

以下是一個區(qū)塊的結(jié)構(gòu)：

block = {

"index": 1,
"timestamp": 1506057125.900785,
"transactions": [
    {
        "sender": "8527147fe1f5426f9dd545de4b27ee00",
        "recipient": "a77f5cdfa2934df3954a5c7c7da5df1f",
        "amount": 5,
    }
],
"proof": 324984774000,
"previous_hash": "2cf24dba5fb0a30e26e83b2ac5b9e29e1b161e5c1fa7425e73043362938b9824"

}
到這里，區(qū)塊鏈的概念就清楚了，每個新的區(qū)塊都包含上一個區(qū)塊的Hash，這是關(guān)鍵的一點(diǎn)，它保障了區(qū)塊鏈不可變性。如果攻擊者破壞了前面的某個區(qū)塊，那么后面所有區(qū)塊的Hash都會變得不正確。不理解的話，慢慢消化，可參考{% post_link whatbc 區(qū)塊鏈記賬原理 %}

加入交易

接下來我們需要添加一個交易，來完善下new_transaction方法

class Blockchain(object):

...

def new_transaction(self, sender, recipient, amount):
    """
    生成新交易信息，信息將加入到下一個待挖的區(qū)塊中
    :param sender:  Address of the Sender
    :param recipient:  Address of the Recipient
    :param amount:  Amount
    :return:  The index of the Block that will hold this transaction
    """

    self.current_transactions.append({
        "sender": sender,
        "recipient": recipient,
        "amount": amount,
    })

    return self.last_block["index"] + 1

方法向列表中添加一個交易記錄，并返回該記錄將被添加到的區(qū)塊(下一個待挖掘的區(qū)塊)的索引，等下在用戶提交交易時會有用。

創(chuàng)建新塊

當(dāng)Blockchain實(shí)例化后，我們需要構(gòu)造一個創(chuàng)世塊（沒有前區(qū)塊的第一個區(qū)塊），并且給它加上一個工作量證明。每個區(qū)塊都需要經(jīng)過工作量證明，俗稱挖礦，稍后會繼續(xù)講解。

為了構(gòu)造創(chuàng)世塊，我們還需要完善new_block(), new_transaction() 和hash() 方法：

import hashlib
import json
from time import time

class Blockchain(object):

def __init__(self):
    self.current_transactions = []
    self.chain = []

    # Create the genesis block
    self.new_block(previous_hash=1, proof=100)

def new_block(self, proof, previous_hash=None):
    """
    生成新塊
    :param proof:  The proof given by the Proof of Work algorithm
    :param previous_hash: (Optional)  Hash of previous Block
    :return:  New Block
    """

    block = {
        "index": len(self.chain) + 1,
        "timestamp": time(),
        "transactions": self.current_transactions,
        "proof": proof,
        "previous_hash": previous_hash or self.hash(self.chain[-1]),
    }

    # Reset the current list of transactions
    self.current_transactions = []

    self.chain.append(block)
    return block

def new_transaction(self, sender, recipient, amount):
    """
    生成新交易信息，信息將加入到下一個待挖的區(qū)塊中
    :param sender:  Address of the Sender
    :param recipient:  Address of the Recipient
    :param amount:  Amount
    :return:  The index of the Block that will hold this transaction
    """
    self.current_transactions.append({
        "sender": sender,
        "recipient": recipient,
        "amount": amount,
    })

    return self.last_block["index"] + 1

@property
def last_block(self):
    return self.chain[-1]

@staticmethod
def hash(block):
    """
    生成塊的 SHA-256 hash值
    :param block:  Block
    :return: 
    """

    # We must make sure that the Dictionary is Ordered, or we"ll have inconsistent hashes
    block_string = json.dumps(block, sort_keys=True).encode()
    return hashlib.sha256(block_string).hexdigest()

通過上面的代碼和注釋可以對區(qū)塊鏈有直觀的了解，接下來我們看看區(qū)塊是怎么挖出來的。

理解工作量證明

新的區(qū)塊依賴工作量證明算法（PoW）來構(gòu)造。PoW的目標(biāo)是找出一個符合特定條件的數(shù)字，這個數(shù)字很難計算出來，但容易驗(yàn)證。這就是工作量證明的核心思想。

為了方便理解，舉個例子：

假設(shè)一個整數(shù) x 乘以另一個整數(shù) y 的積的 Hash 值必須以 0 結(jié)尾，即 hash(x * y) = ac23dc...0。設(shè)變量 x = 5，求 y 的值？

用Python實(shí)現(xiàn)如下：

from hashlib import sha256
x = 5
y = 0 # y未知
while sha256(f"{x*y}".encode()).hexdigest()[-1] != "0":

y += 1

print(f"The solution is y = {y}")
結(jié)果是y=21. 因?yàn)椋?/p>

hash(5 * 21) = 1253e9373e...5e3600155e860
在比特幣中，使用稱為Hashcash的工作量證明算法，它和上面的問題很類似。礦工們?yōu)榱藸帄Z創(chuàng)建區(qū)塊的權(quán)利而爭相計算結(jié)果。通常，計算難度與目標(biāo)字符串需要滿足的特定字符的數(shù)量成正比，礦工算出結(jié)果后，會獲得比特幣獎勵。當(dāng)然，在網(wǎng)絡(luò)上非常容易驗(yàn)證這個結(jié)果。

實(shí)現(xiàn)工作量證明

讓我們來實(shí)現(xiàn)一個相似PoW算法，規(guī)則是：尋找一個數(shù) p，使得它與前一個區(qū)塊的 proof 拼接成的字符串的 Hash 值以 4 個零開頭。

import hashlib
import json

from time import time
from uuid import uuid4

class Blockchain(object):

...
    
def proof_of_work(self, last_proof):
    """
    簡單的工作量證明:
     - 查找一個 p" 使得 hash(pp") 以4個0開頭
     - p 是上一個塊的證明,  p" 是當(dāng)前的證明
    :param last_proof: 
    :return: 
    """

    proof = 0
    while self.valid_proof(last_proof, proof) is False:
        proof += 1

    return proof

@staticmethod
def valid_proof(last_proof, proof):
    """
    驗(yàn)證證明: 是否hash(last_proof, proof)以4個0開頭?
    :param last_proof:  Previous Proof
    :param proof:  Current Proof
    :return:  True if correct, False if not.
    """

    guess = f"{last_proof}{proof}".encode()
    guess_hash = hashlib.sha256(guess).hexdigest()
    return guess_hash[:4] == "0000"

衡量算法復(fù)雜度的辦法是修改零開頭的個數(shù)。使用4個來用于演示，你會發(fā)現(xiàn)多一個零都會大大增加計算出結(jié)果所需的時間。

現(xiàn)在Blockchain類基本已經(jīng)完成了，接下來使用HTTP requests來進(jìn)行交互。

Blockchain作為API接口

我們將使用Python Flask框架，這是一個輕量Web應(yīng)用框架，它方便將網(wǎng)絡(luò)請求映射到 Python函數(shù)，現(xiàn)在我們來讓Blockchain運(yùn)行在基于Flask web上。

我們將創(chuàng)建三個接口：

/transactions/new 創(chuàng)建一個交易并添加到區(qū)塊
/mine 告訴服務(wù)器去挖掘新的區(qū)塊
/chain 返回整個區(qū)塊鏈
創(chuàng)建節(jié)點(diǎn)

我們的“Flask服務(wù)器”將扮演區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中的一個節(jié)點(diǎn)。我們先添加一些框架代碼：

import hashlib
import json
from textwrap import dedent
from time import time
from uuid import uuid4

from flask import Flask

class Blockchain(object):

...

Instantiate our Node

app = Flask(__name__)

Generate a globally unique address for this node

node_identifier = str(uuid4()).replace("-", "")

Instantiate the Blockchain

blockchain = Blockchain()

@app.route("/mine", methods=["GET"])
def mine():

return "We"ll mine a new Block"

@app.route("/transactions/new", methods=["POST"])
def new_transaction():

return "We"ll add a new transaction"

@app.route("/chain", methods=["GET"])
def full_chain():

response = {
    "chain": blockchain.chain,
    "length": len(blockchain.chain),
}
return jsonify(response), 200

if name == "__main__":

app.run(host="0.0.0.0", port=5000)

簡單的說明一下以上代碼：第15行: 創(chuàng)建一個節(jié)點(diǎn). 第18行: 為節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建一個隨機(jī)的名字. 第21行: 實(shí)例Blockchain類. 第24–26行: 創(chuàng)建/mine GET接口。第28–30行: 創(chuàng)建/transactions/new POST接口,可以給接口發(fā)送交易數(shù)據(jù). 第32–38行: 創(chuàng)建 /chain 接口, 返回整個區(qū)塊鏈。第40–41行: 服務(wù)運(yùn)行在端口5000上.

發(fā)送交易

發(fā)送到節(jié)點(diǎn)的交易數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：

{
"sender": "my address",
"recipient": "someone else"s address",
"amount": 5
}
之前已經(jīng)有添加交易的方法，基于接口來添加交易就很簡單了

import hashlib
import json
from textwrap import dedent
from time import time
from uuid import uuid4

from flask import Flask, jsonify, request

...

@app.route("/transactions/new", methods=["POST"])
def new_transaction():

values = request.get_json()

# Check that the required fields are in the POST"ed data
required = ["sender", "recipient", "amount"]
if not all(k in values for k in required):
    return "Missing values", 400

# Create a new Transaction
index = blockchain.new_transaction(values["sender"], values["recipient"], values["amount"])

response = {"message": f"Transaction will be added to Block {index}"}
return jsonify(response), 201

挖礦

挖礦正是神奇所在，它很簡單，做了一下三件事：

計算工作量證明PoW
通過新增一個交易授予礦工（自己）一個幣
構(gòu)造新區(qū)塊并將其添加到鏈中
import hashlib
import json

from time import time
from uuid import uuid4

from flask import Flask, jsonify, request

...

@app.route("/mine", methods=["GET"])
def mine():

# We run the proof of work algorithm to get the next proof...
last_block = blockchain.last_block
last_proof = last_block["proof"]
proof = blockchain.proof_of_work(last_proof)

# 給工作量證明的節(jié)點(diǎn)提供獎勵.
# 發(fā)送者為 "0" 表明是新挖出的幣
blockchain.new_transaction(
    sender="0",
    recipient=node_identifier,
    amount=1,
)

# Forge the new Block by adding it to the chain
block = blockchain.new_block(proof)

response = {
    "message": "New Block Forged",
    "index": block["index"],
    "transactions": block["transactions"],
    "proof": block["proof"],
    "previous_hash": block["previous_hash"],
}
return jsonify(response), 200

注意交易的接收者是我們自己的服務(wù)器節(jié)點(diǎn)，我們做的大部分工作都只是圍繞Blockchain類方法進(jìn)行交互。到此，我們的區(qū)塊鏈就算完成了，我們來實(shí)際運(yùn)行下

運(yùn)行區(qū)塊鏈

你可以使用cURL 或Postman 去和API進(jìn)行交互

啟動server:

$ python blockchain.py

Runing on http://127.0.0.1:5000/ (Press CTRL+C to quit)

讓我們通過請求 http://localhost:5000/mine 來進(jìn)行挖礦

用Postman請求挖礦

通過post請求，添加一個新交易

用Postman請求挖礦

如果不是使用Postman，則用一下的cURL語句也是一樣的：

$ curl -X POST -H "Content-Type: application/json" -d "{
"sender": "d4ee26eee15148ee92c6cd394edd974e",
"recipient": "someone-other-address",
"amount": 5
}" "http://localhost:5000/transactions/new"
在挖了兩次礦之后，就有3個塊了，通過請求 http://localhost:5000/chain 可以得到所有的塊信息。

{
"chain": [

{
  "index": 1,
  "previous_hash": 1,
  "proof": 100,
  "timestamp": 1506280650.770839,
  "transactions": []
},
{
  "index": 2,
  "previous_hash": "c099bc...bfb7",
  "proof": 35293,
  "timestamp": 1506280664.717925,
  "transactions": [
    {
      "amount": 1,
      "recipient": "8bbcb347e0634905b0cac7955bae152b",
      "sender": "0"
    }
  ]
},
{
  "index": 3,
  "previous_hash": "eff91a...10f2",
  "proof": 35089,
  "timestamp": 1506280666.1086972,
  "transactions": [
    {
      "amount": 1,
      "recipient": "8bbcb347e0634905b0cac7955bae152b",
      "sender": "0"
    }
  ]
}

],
"length": 3
}
一致性（共識）

我們已經(jīng)有了一個基本的區(qū)塊鏈可以接受交易和挖礦。但是區(qū)塊鏈系統(tǒng)應(yīng)該是分布式的。既然是分布式的，那么我們究竟拿什么保證所有節(jié)點(diǎn)有同樣的鏈呢？這就是一致性問題，我們要想在網(wǎng)絡(luò)上有多個節(jié)點(diǎn)，就必須實(shí)現(xiàn)一個一致性的算法。

注冊節(jié)點(diǎn)

在實(shí)現(xiàn)一致性算法之前，我們需要找到一種方式讓一個節(jié)點(diǎn)知道它相鄰的節(jié)點(diǎn)。每個節(jié)點(diǎn)都需要保存一份包含網(wǎng)絡(luò)中其它節(jié)點(diǎn)的記錄。因此讓我們新增幾個接口：

/nodes/register 接收URL形式的新節(jié)點(diǎn)列表
/nodes/resolve 執(zhí)行一致性算法，解決任何沖突，確保節(jié)點(diǎn)擁有正確的鏈
我們修改下Blockchain的init函數(shù)并提供一個注冊節(jié)點(diǎn)方法：

...
from urllib.parse import urlparse
...

class Blockchain(object):

def __init__(self):
    ...
    self.nodes = set()
    ...

def register_node(self, address):
    """
    Add a new node to the list of nodes
    :param address:  Address of node. Eg. "http://192.168.0.5:5000"
    :return: None
    """

    parsed_url = urlparse(address)
    self.nodes.add(parsed_url.netloc)

我們用 set 來儲存節(jié)點(diǎn)，這是一種避免重復(fù)添加節(jié)點(diǎn)的簡單方法。

實(shí)現(xiàn)共識算法

前面提到，沖突是指不同的節(jié)點(diǎn)擁有不同的鏈，為了解決這個問題，規(guī)定最長的、有效的鏈才是最終的鏈，換句話說，網(wǎng)絡(luò)中有效最長鏈才是實(shí)際的鏈。

我們使用一下的算法，來達(dá)到網(wǎng)絡(luò)中的共識

...
import requests

class Blockchain(object)

...

def valid_chain(self, chain):
    """
    Determine if a given blockchain is valid
    :param chain:  A blockchain
    :return:  True if valid, False if not
    """

    last_block = chain[0]
    current_index = 1

    while current_index < len(chain):
        block = chain[current_index]
        print(f"{last_block}")
        print(f"{block}")
        print("
-----------
")
        # Check that the hash of the block is correct
        if block["previous_hash"] != self.hash(last_block):
            return False

        # Check that the Proof of Work is correct
        if not self.valid_proof(last_block["proof"], block["proof"]):
            return False

        last_block = block
        current_index += 1

    return True

def resolve_conflicts(self):
    """
    共識算法解決沖突
    使用網(wǎng)絡(luò)中最長的鏈.
    :return:  True 如果鏈被取代, 否則為False
    """

    neighbours = self.nodes
    new_chain = None

    # We"re only looking for chains longer than ours
    max_length = len(self.chain)

    # Grab and verify the chains from all the nodes in our network
    for node in neighbours:
        response = requests.get(f"http://{node}/chain")

        if response.status_code == 200:
            length = response.json()["length"]
            chain = response.json()["chain"]

            # Check if the length is longer and the chain is valid
            if length > max_length and self.valid_chain(chain):
                max_length = length
                new_chain = chain

    # Replace our chain if we discovered a new, valid chain longer than ours
    if new_chain:
        self.chain = new_chain
        return True

    return False

第一個方法 valid_chain() 用來檢查是否是有效鏈，遍歷每個塊驗(yàn)證hash和proof.

第2個方法 resolve_conflicts() 用來解決沖突，遍歷所有的鄰居節(jié)點(diǎn)，并用上一個方法檢查鏈的有效性， 如果發(fā)現(xiàn)有效更長鏈，就替換掉自己的鏈

讓我們添加兩個路由，一個用來注冊節(jié)點(diǎn)，一個用來解決沖突。

@app.route("/nodes/register", methods=["POST"])
def register_nodes():

values = request.get_json()

nodes = values.get("nodes")
if nodes is None:
    return "Error: Please supply a valid list of nodes", 400

for node in nodes:
    blockchain.register_node(node)

response = {
    "message": "New nodes have been added",
    "total_nodes": list(blockchain.nodes),
}
return jsonify(response), 201

@app.route("/nodes/resolve", methods=["GET"])
def consensus():

replaced = blockchain.resolve_conflicts()

if replaced:
    response = {
        "message": "Our chain was replaced",
        "new_chain": blockchain.chain
    }
else:
    response = {
        "message": "Our chain is authoritative",
        "chain": blockchain.chain
    }

return jsonify(response), 200

你可以在不同的機(jī)器運(yùn)行節(jié)點(diǎn)，或在一臺機(jī)機(jī)開啟不同的網(wǎng)絡(luò)端口來模擬多節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)，這里在同一臺機(jī)器開啟不同的端口演示，在不同的終端運(yùn)行一下命令，就啟動了兩個節(jié)點(diǎn)：http://localhost:5000 和 http://localhost:5001

pipenv run python blockchain.py
pipenv run python blockchain.py -p 5001
注冊新節(jié)點(diǎn)

然后在節(jié)點(diǎn)2上挖兩個塊，確保是更長的鏈，然后在節(jié)點(diǎn)1上訪問接口/nodes/resolve ,這時節(jié)點(diǎn)1的鏈會通過共識算法被節(jié)點(diǎn)2的鏈取代。

共識算法解決沖突

好啦，你可以邀請朋友們一起來測試你的區(qū)塊鏈

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