用Django实现一个可运行的区块链应用

对数字货币的崛起感到新奇的我们,并且想知道其背后的技术——区块链是怎样实现的。

但是完全搞懂区块链并非易事,我喜欢在实践中学习,通过写代码来学习技术会掌握得更牢固。通过构建一个区块链可以加深对区块链的理解。

准备工作 本文要求读者对Python有基本的理解,能读写基本的Python,并且需要对HTTP请求有基本的了解。

我们知道区块链是由区块的记录构成的不可变、有序的链结构,记录可以是交易、文件或任何你想要的数据,重要的是它们是通过哈希值(hashes)链接起来的。

环境准备 环境准备,确保已经安装Python3.5, pip , django, requests,urllib,json,hashlib 安装方法:

pip install django requests

同时还需要一个HTTP客户端,比如Postman,cURL或其它客户端,本文以Postman为例。

开始创建Blockchain 通过django-admin startproject block创建一个block的项目,在项目中创建一个demo项目django-admin startproject demo ,目录结构:

Blockchain类 在views中创建一个Blockchain类,在构造函数中创建了两个列表,一个用于储存区块链,一个用于储存交易。

以下是Blockchain类的框架:

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类用来管理链条,它能存储交易,加入新块等,下面我们来进一步完善这些方法。

块结构 每个区块包含属性:索引(index),Unix时间戳(timestamp),交易列表(transactions),工作量证明(稍后解释)以及前一个区块的Hash值。

以下是一个区块的结构:

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

到这里,区块链的概念就清楚了,每个新的区块都包含上一个区块的Hash,这是关键的一点,它保障了区块链不可变性。如果攻击者破坏了前面的某个区块,那么后面所有区块的Hash都会变得不正确。不理解的话,慢慢消化。

加入交易 接下来我们需要添加一个交易,来完善下new_transaction方法

class Blockchain(object):
    ...

    def new_transaction(self, sender, recipient, amount):
        """
        生成新交易信息,信息将加入到下一个待挖的区块中
        :param sender: <str> Address of the Sender
        :param recipient: <str> Address of the Recipient
        :param amount: <int> Amount
        :return: <int> 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个交易记录,并返回该记录将被添加到的区块(下一个待挖掘的区块)的索引,等下在用户提交交易时会有用。

创建新块

当Blockchain实例化后,我们需要构造一个创世块(没有前区块的第一个区块),并且给它加上一个工作量证明。 每个区块都需要经过工作量证明,俗称挖矿,稍后会继续讲解。

为了构造创世块,我们还需要完善newblock(), newtransaction() 和hash() 方法:

class Blockchain(object):
    def __init__(self):
        self.chain = []
        self.current_transactions = []
        self.new_block(previous_hash=1, proof=100)
        self.nodes = set()
    def new_block(self,proof,previous_hash= None):
        block = {
            'index': len(self.chain) + 1,
            'timestamp': time(),
            'transactions': self.current_transactions,
            'proof':proof ,
            'previous_hash': previous_hash or self.hash(self.chain[-1]),
        }
        self.current_transactions = []
        self.chain.append(block)
        return block

    def new_transaction(self,sender,recipient,amount):
        self.current_transactions.append({
            'sender': sender,
            'recipient': recipient,
            'amount': amount,
        })
        return self.last_block['index']+1

    @staticmethod
    def hash(block):
        block_string = json.dumps(block, sort_keys=True).encode()
        return hashlib.sha256(block_string).hexdigest()

通过上面的代码和注释可以对区块链有直观的了解,接下来我们看看区块是怎么挖出来的。

理解工作量证明 新的区块依赖工作量证明算法(PoW)来构造。PoW的目标是找出一个符合特定条件的数字,这个数字很难计算出来,但容易验证。这就是工作量证明的核心思想。

为了方便理解,举个例子:

假设一个整数 x 乘以另一个整数 y 的积的 Hash 值必须以 0 结尾,即 hash(x * y) = ac23dc…0。设变量 x = 5,求 y 的值?

用Python实现如下:

from hashlib import sha256
x = 5
y = 0
while sha256(str(x*y).encode()).hexdigest()[:4] != "0000":
      y += 1
      print(y,sha256(str(x*y).encode()).hexdigest()[:4])
print(y)

在比特币中,使用称为Hashcash的工作量证明算法,它和上面的问题很类似。矿工们为了争夺创建区块的权利而争相计算结果。通常,计算难度与目标字符串需要满足的特定字符的数量成正比,矿工算出结果后,会获得比特币奖励。 当然,在网络上非常容易验证这个结果。

实现工作量证明 让我们来实现一个相似PoW算法,规则是:寻找一个数 p,使得它与前一个区块的 proof 拼接成的字符串的 Hash 值以 4 个零开头。

import hashlib
import json

from time import time
from uuid import uuid4


class Blockchain(object):
    ...
    def last_block(self):
        return self.chain[-1]

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

        return proof

    @staticmethod
    def valid_proof(last_proof, proof):
        guess = str(last_proof*proof).encode()
        guess_hash = hashlib.sha256(guess).hexdigest()
        return guess_hash[:5] == "00000"

衡量算法复杂度的办法是修改零开头的个数。使用4个来用于演示,你会发现多一个零都会大大增加计算出结果所需的时间。

现在Blockchain类基本已经完成了,接下来使用HTTP requests来进行交互。

Blockchain作为API接口 我们将使用Python django框架,这是一个轻量Web应用框架,它方便将网络请求映射到 Python函数,现在我们来让来试一下:

我们将创建三个接口:

/transactions/new 创建一个交易并添加到区块

/mine 告诉服务器去挖掘新的区块

/chain 返回整个区块链

创建节点 我们的“django web服务器”将扮演区块链网络中的一个节点。我们先添加一些框架代码:

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

# Instantiate the Blockchain
blockchain = Blockchain()
def mine(request):
    last_block = blockchain.last_block
    last_proof = last_block['proof']
    proof = blockchain.proof_of_work(last_proof)
    print(proof)
    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'],
    }
    print(response)
    return HttpResponse(json.dumps(response))
def new_transaction(request):
    values = json.loads(request.body.decode('utf-8'))
    required = ['sender', 'recipient', 'amount']
    if not all(k in values for k in required):
        return 'Missing values'
    index = blockchain.new_transaction(values['sender'], values['recipient'], values['amount'])
    print(index)
    response = {'message': 'Transaction will be added to Block %s'%index}
    return HttpResponse(json.dumps(response))
def full_chain(request):
    response = {
        'chain': blockchain.chain,
        'length': len(blockchain.chain),
    }
    return HttpResponse(json.dumps(response))

添加url路由节点:运行服务

from demo import views
urlpatterns = [
    url(r'^admin/', admin.site.urls),
    url(r'^mine', views.mine),
    url(r'^transactions/new/', views.new_transaction),
    url(r'^chain/', views.full_chain),
    url(r'^register', views.register_nodes),
    url(r'^resolve', views.consensus),
]

运行服务

python manage.py runserver 127.0.0.1:8000

发送交易 发送到节点的交易数据,结构如下:

{
 "sender": "my address",
 "recipient": "someone else's address",
 "amount": 5
}

向服务添加一个交易

挖矿 挖矿正是神奇所在,它很简单,做了一下三件事:

1、计算工作量证明PoW

2、通过新增一个交易授予矿工(自己)一个币

3、构造新区块并将其添加到链中

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

        return proof

    @staticmethod
    def valid_proof(last_proof, proof):
        guess = str(last_proof*proof).encode()
        guess_hash = hashlib.sha256(guess).hexdigest()
        return guess_hash[:5] == "00000"

注意交易的接收者是我们自己的服务器节点,我们做的大部分工作都只是围绕Blockchain类方法进行交互。到此,我们的区块链就算完成了,我们来实际运行下

运行区块链 使用Postman 去和API进行交互

让我们通过请求 http://127.0.0.1:8000/mine 来进行挖矿

在挖了两次矿之后,就有3个块了,通过请求 http://localhost:8000/chain 可以得到所有的块信息。

{
    "chain": [
        {
            "transactions": [],
            "proof": 100,
            "timestamp": 1520314374.7261052,
            "index": 1,
            "previous_hash": 1
        },
        {
            "transactions": [
                {
                    "sender": "0",
                    "recipient": "27d4aae55b2848dcae52bc722d86e0c3",
                    "amount": 1
                }
            ],
            "proof": 1771087,
            "timestamp": 1520314389.5019505,
            "index": 2,
            "previous_hash": "32fa73f48240160257e95fdf8422c6df734b5d7e8ceb69a41a5578643c1d36fb"
        },
        {
            "transactions": [
                {
                    "sender": "d4ee26eee15148ee92c6cd394edd9705",
                    "recipient": "5",
                    "amount": 500
                },
                {
                    "sender": "0",
                    "recipient": "27d4aae55b2848dcae52bc722d86e0c3",
                    "amount": 1
                }
            ],
            "proof": 100,
            "timestamp": 1520314592.4745598,
            "index": 3,
            "previous_hash": "e6b1be488e0ed20fe3ec51135e5fafb4dfffaa28a190967106a5dd3e89e4b3aa"
        }
    ],
    "length": 3
}

一致性(共识) 我们已经有了一个基本的区块链可以接受交易和挖矿。但是区块链系统应该是分布式的。既然是分布式的,那么我们究竟拿什么保证所有节点有同样的链呢?这就是一致性问题,我们要想在网络上有多个节点,就必须实现一个一致性的算法。

注册节点 在实现一致性算法之前,我们需要找到一种方式让一个节点知道它相邻的节点。每个节点都需要保存一份包含网络中其它节点的记录。因此让我们新增几个接口:

1、/register 接收URL形式的新节点列表

2、/resolve 执行一致性算法,解决任何冲突,确保节点拥有正确的链 我们修改下Blockchain的init函数并提供一个注册节点方法:

from urllib.parse import urlparse
...


class Blockchain(object):
    def __init__(self):
        ...
        self.nodes = set()
        ...
    def register_node(self, address):
        parsed_url = urlparse(address)
        self.nodes.add(parsed_url.netloc)

我们用 set 来储存节点,这是一种避免重复添加节点的简单方法。

实现共识算法 前面提到,冲突是指不同的节点拥有不同的链,为了解决这个问题,规定最长的、有效的链才是最终的链,换句话说,网络中有效最长链才是实际的链。

我们使用一下的算法,来达到网络中的共识

class Blockchain(object):
    def __init__(self):
        ...

    def valid_chain(self, chain):
        last_block = chain[0]
        current_index = 1
        while current_index < len(chain):
            block = chain[current_index]
            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):
        neighbours = self.nodes
        new_chain = None

        max_length = len(self.chain)

        for node in neighbours:
            response = requests.get('http://%s/chain' %node)

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

第一个方法 valid_chain() 用来检查是否是有效链,遍历每个块验证hash和proof.

第2个方法 resolve_conflicts() 用来解决冲突,遍历所有的邻居节点,并用上一个方法检查链的有效性, 如果发现有效更长链,就替换掉自己的链

在url中添加两个路由,一个用来注册节点,一个用来解决冲突。

from demo import views
urlpatterns = [
    url(r'^register', views.register_nodes),
    url(r'^resolve', views.consensus),
]

你可以在不同的机器运行节点,或在一台机机开启不同的网络端口来模拟多节点的网络,这里在同一台机器开启不同的端口演示,在不同的终端运行一下命令,就启动了两个节点:http://127.0.0.1:8000和 http://127.0.0.1:8100

然后在节点8100节点上挖两个块,确保是更长的链,然后在节点8000节点上访问接口/resolve ,这时节点8100的链会通过共识算法被节点8000节点的链取代。

原文发布于微信公众号 - Python中文社区(python-china)

原文发表时间:2018-03-07

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