使用 Python 一步步搭建自己的区块链

你是否会和我一样,对加密数字货币底层的区块链技术非常感兴趣,特别想了解他们的运行机制。

但是学习区块链技术并非一帆风顺,我看多了大量的视频教程还有各种课程,最终的感觉就是真正可用的实战课程太少。

我喜欢在实践中学习,尤其喜欢一代码为基础去了解整个工作机制。如果你我一样喜欢这种学习方式,当你学完本教程时,你将会知道区块链技术是如何工作的。

写在开始之前

记住,区块链是一个 不可变的、有序的 被称为块的记录链。它们可以包含交易、文件或任何您喜欢的数据。但重要的是,他们用哈希 一起被链接在一起。

如果你不熟悉哈希, 这里是一个解释.

该指南的目的是什么? 你可以舒服地阅读和编写基础的Python,因为我们将通过HTTP与区块链进行讨论,所以你也要了解HTTP的工作原理。

我需要准备什么? 确定安装了 Python 3.6+ (还有 pip) ,你还需要安装 Flask、 Requests 库:

`pip install Flask==0.12.2 requests==2.18.4`

对了, 你还需要一个支持HTTP的客户端, 比如 Postman 或者 cURL,其他也可以。 源码在哪儿? https://github.com/dvf/blockchain

Step 1: 创建一个区块链

打开你最喜欢的文本编辑器或者IDE, 我个人比较喜欢 PyCharm. 新建一个名为blockchain.py的文件。 我们将只用这一个文件就可以。但是如果你还是不太清楚, 你也可以参考 源码.

描述区块链

我们要创建一个 Blockchain 类 ,他的构造函数创建了一个初始化的空列表(要存储我们的区块链),并且另一个存储交易。下面是我们这个类的实例:

blockchain.py

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

我们的 Blockchain 类负责管理链式数据,它会存储交易并且还有添加新的区块到链式数据的Method。让我们开始扩充更多Method

块是什么样的 ?

每个块都有一个 索引,一个 时间戳(Unix时间戳),一个事务列表, 一个 校验(稍后详述) 和 前一个块的散列

下面是一个Block的例子 :

blockchain.py

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

在这一点上,一个 区块链 的概念应该是明显的 - 每个新块都包含在其内的前一个块的 散列 。 这是至关重要的,因为这是 区块链 不可改变的原因:如果攻击者损坏 区块链 中较早的块,则所有后续块将包含不正确的哈希值。

这有道理吗? 如果你还没有想通,花点时间仔细思考一下 - 这是区块链背后的核心理念

添加交易到区块

我们将需要一个添加交易到区块的方式。我们的 new_transaction()方法的责任就是这个, 并且它非常的简单:

blockchain.py

class Blockchain(object):
    ...

 def new_transaction(self, sender, recipient, amount):
 """
        Creates a new transaction to go into the next mined Block
        :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

new_transaction() 方法添加了交易到列表,它返回了交易将被添加到的区块的索引---讲开采下一个这对稍后对提交交易的用户有用。

创建新的区块

当我们的 Blockchain 被实例化后,我们需要将 创世 区块(一个没有前导区块的区块)添加进去进去。我们还需要向我们的起源块添加一个 证明,这是挖矿的结果(或工作证明)。 我们稍后会详细讨论挖矿。

除了在构造函数中创建 创世 区块外,我们还会补全 new_block()new_transaction()hash() 函数:

blockchain.py

import hashlib
import json
from time import time

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

 # 创建创世区块
        self.new_block(previous_hash=1, proof=100)

 def new_block(self, proof, previous_hash=None):
 """
        创建一个新的区块到区块链中
        :param proof:由工作证明算法生成的证明
        :param previous_hash: (Optional)前一个区块的 hash 值
        :return:新区块
        """

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

 # 重置当前交易记录
        self.current_transactions = []

        self.chain.append(block)
 return block

 def new_transaction(self, sender, recipient, amount):
 """
        创建一笔新的交易到下一个被挖掘的区块中
        :param sender:发送人的地址
        :param recipient:接收人的地址
        :param amount:金额
        :return:持有本次交易的区块索引
        """
        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):
 """
        给一个区块生成 SHA-256 值
        :param block:Block
        :return:
        """

 # 我们必须确保这个字典(区块)是经过排序的,否则我们将会得到不一致的散列
        block_string = json.dumps(block, sort_keys=True).encode()
 return hashlib.sha256(block_string).hexdigest()

上面的代码应该是直白的 --- 为了让代码清晰,我添加了一些注释和文档说明。 我们差不多完成了我们的区块链。 但在这个时候你一定很疑惑新的块是怎么被创建、锻造或挖掘的。

工作量证明算法

使用工作量证明(PoW)算法,来证明是如何在区块链上创建或挖掘新的区块。PoW 的目标是计算出一个符合特定条件的数字,这个数字对于所有人而言必须在计算上非常困难,但易于验证。这是工作证明背后的核心思想。

我们将看到一个简单的例子帮助你理解:

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 x = 5,求 y ?用 Python 实现:

from hashlib import sha256
x = 5
y = 0 # We don't know what y should be yet...
while sha256(f'{x*y}'.encode()).hexdigest()[-1] != "0":
    y += 1
print(f'The solution is y = {y}')

结果是: y = 21。因为,生成的 Hash 值结尾必须为 0。

hash(5 * 21) = 1253e9373e...5e3600155e860

在比特币中,工作量证明算法被称为 Hashcash ,它和上面的问题很相似,只不过计算难度非常大。这就是矿工们为了争夺创建区块的权利而争相计算的问题。 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,就会获得一定数量的比特币奖励(通过交易)。

验证结果,当然非常容易。

实现工作量证明

让我们来实现一个相似 PoW 算法。规则类似上面的例子:

找到一个数字 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。

blockchain.py

import hashlib
import json

from time import time
from uuid import uuid4

class Blockchain(object):
    ...

 def proof_of_work(self, last_proof):
 """
        Simple Proof of Work Algorithm:
         - Find a number p' such that hash(pp') contains leading 4 zeroes, where p is the previous p'
         - p is the previous proof, and p' is the new proof
        :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):
 """
        Validates the Proof: Does hash(last_proof, proof) contain 4 leading zeroes?
        :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。

Step 2: Blockchain 作为 API 接口

我们将使用 Python Flask 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 Blockchain 运行在基于 Flask web 上。

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“Flask 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:

blockchain.py

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)

简单的说明一下以上代码:

  • 第 15 行:实例化节点。阅读更多关于 Flask 内容。
  • 第 18 行:为节点创建一个随机的名称。.
  • 第 21 行:实例化 Blockchain 类。
  • 第 24--26 行:创建 /mine 接口,GET 方式请求。
  • 第 28--30 行:创建 /transactions/new 接口,POST 方式请求,可以给接口发送交易数据。
  • 第 32--38 行:创建 /chain 接口,返回整个区块链。
  • 第 40--41 行:服务器运行端口 5000 。

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 }

因为我们已经有了添加交易的方法,所以基于接口来添加交易就很简单了。让我们为添加事务写函数:

blockchain.py

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

blockchain.py

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)

 # We must receive a reward for finding the proof.
 # The sender is "0" to signify that this node has mined a new coin.
    blockchain.new_transaction(
        sender="0",
        recipient=node_identifier,
        amount=1,
    )

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

    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.

Step 3: 运行区块链

你可以使用 cURL 或 Postman 去和 API 进行交互

启动 Server:

$ python blockchain.py * Running on http://127.0.0.1:5000/ (Press CTRL+C to quit)

让我们通过请求 http://localhost:5000/mine ( GET )来进行挖矿:

用 Postman 发起一个 GET 请求.

创建一个交易请求,请求 http://localhost:5000/transactions/new (POST),如图

如果不是使用 Postman,则用一下的 CURL 语句也是一样的:

$ curl -X POST -H "Content-Type: application/json" -d '{ "sender": "d4ee26eee15148ee92c6cd394edd974e", "recipient": "someone-other-address", "amount": 5 }' "http://localhost:5000/transactions/new"

在挖了两次矿之后,就有 3 个块了,通过请求 http://localhost:5000/chain 可以得到所有的块信息

{
 "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
}

Step 4: 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. /nodes/register 接收 URL 形式的新节点列表.
  2. /nodes/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:

blockchain.py

...
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

就像先前讲的那样,当一个节点与另一个节点有不同的链时,就会产生冲突。 为了解决这个问题,我们将制定最长的有效链条是最权威的规则。换句话说就是:在这个网络里最长的链就是最权威的。 我们将使用这个算法,在网络中的节点之间达成共识。

blockchain.py

...
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("\n-----------\n")
 # 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):
 """
        This is our Consensus Algorithm, it resolves conflicts
        by replacing our chain with the longest one in the network.
        :return:True if our chain was replaced, False if not
        """

        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

第一个方法 valid_chain() 负责检查一个链是否有效,方法是遍历每个块并验证散列和证明。

resolve_conflicts() 是一个遍历我们所有邻居节点的方法,下载它们的链并使用上面的方法验证它们。 如果找到一个长度大于我们的有效链条,我们就取代我们的链条。

我们将两个端点注册到我们的API中,一个用于添加相邻节点,另一个用于解决冲突:

blockchain.py

@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

在这一点上,如果你喜欢,你可以使用一台不同的机器,并在你的网络上启动不同的节点。 或者使用同一台机器上的不同端口启动进程。 我在我的机器上,不同的端口上创建了另一个节点,并将其注册到当前节点。 因此,我有两个节点:http://localhost:5000http://localhost:5001。 注册一个新节点:

然后我在节点 2 上挖掘了一些新的块,以确保链条更长。 之后,我在节点1上调用 GET /nodes/resolve,其中链由一致性算法取代:

这是一个包,去找一些朋友一起,以帮助测试你的区块链。

我希望本文能激励你创造更多新东西。我之所以对数字货币入迷,是因为我相信区块链会很快改变我们看待事物的方式,包括经济、政府、档案管理等。

原文发布于微信公众号 - IT派(transfer_3255716726)

原文发表时间:2018-04-23

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