Python 從零開始構建本身的比特幣區塊鏈系統

時間  2019-11-17
標籤 python 開始 構建 本身 比特 區塊 系統 欄目 Python 简体版
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你是否會和我同樣，對加密數字貨幣底層的區塊鏈技術很是感興趣，特別想了解他們的運行機制。node

可是學習區塊鏈技術並不是一路順風，我看多了大量的視頻教程還有各類課程，最終的感受就是真正可用的實戰課程太少。python

我喜歡在實踐中學習，尤爲喜歡一代碼爲基礎去了解整個工做機制。若是你我同樣喜歡這種學習方式，當你學完本教程時，你將會知道區塊鏈技術是如何工做的。git


寫在開始以前

記住，區塊鏈是一個 不可變的、有序的 被稱爲塊的記錄鏈。它們能夠包含交易、文件或任何您喜歡的數據。但重要的是，他們用哈希 一塊兒被連接在一塊兒。github

若是你不熟悉哈希, 這裏是一個解釋.web

該指南的目的是什麼? 你能夠舒服地閱讀和編寫基礎的Python，由於咱們將經過HTTP與區塊鏈進行討論，因此你也要了解HTTP的工做原理。算法

我須要準備什麼? 肯定安裝了 Python 3.6+ (還有 pip) ，你還須要安裝 Flask、 Requests 庫:json

`pip install Flask==0.12.2 requests==2.18.4`
複製代碼

對了, 你還須要一個支持HTTP的客戶端, 好比 Postman 或者 cURL，其餘也能夠。
源碼在哪兒? 能夠點擊這裏flask


Step 1: 建立一個區塊鏈

打開你最喜歡的文本編輯器或者IDE, 我我的比較喜歡 PyCharm. 新建一個名爲blockchain.py的文件。 咱們將只用這一個文件就能夠。可是若是你仍是不太清楚, 你也能夠參考 源碼.bash

描述區塊鏈

咱們要建立一個 Blockchain 類 ，他的構造函數建立了一個初始化的空列表（要存儲咱們的區塊鏈），而且另外一個存儲交易。下面是咱們這個類的實例:服務器

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
複製代碼

咱們的 Blockchain 類負責管理鏈式數據，它會存儲交易而且還有添加新的區塊到鏈式數據的Method。讓咱們開始擴充更多Method


塊是什麼樣的 ?

每一個塊都有一個 索引，一個 時間戳（Unix時間戳），一個事務列表， 一個 校驗(稍後詳述) 和 前一個塊的散列 。

下面是一個Block的例子 ：

blockchain.py

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

在這一點上，一個 區塊鏈 的概念應該是明顯的 - 每一個新塊都包含在其內的前一個塊的 散列 。 這是相當重要的，由於這是 區塊鏈 不可改變的緣由：若是攻擊者損壞 區塊鏈 中較早的塊，則全部後續塊將包含不正確的哈希值。

這有道理嗎？ 若是你尚未想通，花點時間仔細思考一下 - 這是區塊鏈背後的核心理念。


添加交易到區塊

咱們將須要一個添加交易到區塊的方式。咱們的 new_transaction()方法的責任就是這個， 而且它很是的簡單:

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: <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
複製代碼

new_transaction() 方法添加了交易到列表，它返回了交易將被添加到的區塊的索引---講開採下一個這對稍後對提交交易的用戶有用。

建立新的區塊

當咱們的 Blockchain 被實例化後，咱們須要將 創世 區塊（一個沒有前導區塊的區塊）添加進去進去。咱們還須要向咱們的起源塊添加一個 證實，這是挖礦的結果(或工做證實)。 咱們稍後會詳細討論挖礦。

除了在構造函數中建立 創世 區塊外，咱們還會補全 new_block() 、new_transaction() 和 hash() 函數：

blockchain.py

import hashlib
import json
from time import time

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

        # 建立創世區塊
        self.new_block(previous_hash=1, proof=100)

    def new_block(self, proof, previous_hash=None):
        """ 建立一個新的區塊到區塊鏈中 :param proof: <int> 由工做證實算法生成的證實 :param previous_hash: (Optional) <str> 前一個區塊的 hash 值 :return: <dict> 新區塊 """

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

        # 重置當前交易記錄
        self.current_transactions = []

        self.chain.append(block)
        return block

    def new_transaction(self, sender, recipient, amount):
        """ 建立一筆新的交易到下一個被挖掘的區塊中 :param sender: <str> 發送人的地址 :param recipient: <str> 接收人的地址 :param amount: <int> 金額 :return: <int> 持有本次交易的區塊索引 """
        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):
        """ 給一個區塊生成 SHA-256 值 :param block: <dict> Block :return: <str> """

        # 咱們必須確保這個字典（區塊）是通過排序的，不然咱們將會獲得不一致的散列
        block_string = json.dumps(block, sort_keys=True).encode()
        return hashlib.sha256(block_string).hexdigest()
複製代碼

上面的代碼應該是直白的 --- 爲了讓代碼清晰，我添加了一些註釋和文檔說明。 咱們差很少完成了咱們的區塊鏈。 但在這個時候你必定很疑惑新的塊是怎麼被建立、鍛造或挖掘的。

工做量證實算法

使用工做量證實（PoW）算法，來證實是如何在區塊鏈上建立或挖掘新的區塊。PoW 的目標是計算出一個符合特定條件的數字，這個數字對於全部人而言必須在計算上很是困難，但易於驗證。這是工做證實背後的核心思想。

咱們將看到一個簡單的例子幫助你理解：

假設一個整數 x 乘以另外一個整數 y 的積的 Hash 值必須以 0 結尾，即 hash(x * y) = ac23dc...0。設 x = 5，求 y ？用 Python 實現：

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}')
複製代碼

結果是： y = 21。由於，生成的 Hash 值結尾必須爲 0。

hash(5 * 21) = 1253e9373e...5e3600155e860
複製代碼

在比特幣中，工做量證實算法被稱爲 Hashcash ，它和上面的問題很類似，只不過計算難度很是大。這就是礦工們爲了爭奪建立區塊的權利而爭相計算的問題。 一般，計算難度與目標字符串須要知足的特定字符的數量成正比，礦工算出結果後，就會得到必定數量的比特幣獎勵（經過交易）。

驗證結果，固然很是容易。

實現工做量證實

讓咱們來實現一個類似 PoW 算法。規則相似上面的例子：

找到一個數字 P ，使得它與前一個區塊的 proof 拼接成的字符串的 Hash 值以 4 個零開頭。

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: <int> :return: <int> """

        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: <int> Previous Proof :param proof: <int> Current Proof :return: <bool> True if correct, False if not. """

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

衡量算法複雜度的辦法是修改零開頭的個數。使用 4 個來用於演示，你會發現多一個零都會大大增長計算出結果所需的時間。

如今 Blockchain 類基本已經完成了，接下來使用 HTTP requests 來進行交互。

Step 2: Blockchain 做爲 API 接口

咱們將使用 Python Flask 框架，這是一個輕量 Web 應用框架，它方便將網絡請求映射到 Python 函數，如今咱們來讓 Blockchain 運行在基於 Flask web 上。

咱們將建立三個接口：

  • /transactions/new 建立一個交易並添加到區塊
  • /mine 告訴服務器去挖掘新的區塊
  • /chain 返回整個區塊鏈

建立節點

咱們的「Flask 服務器」將扮演區塊鏈網絡中的一個節點。咱們先添加一些框架代碼：

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)
複製代碼

簡單的說明一下以上代碼：

  • 第 15 行：實例化節點。閱讀更多關於 Flask 內容。
  • 第 18 行：爲節點建立一個隨機的名稱。.
  • 第 21 行：實例化 Blockchain 類。
  • 第 24--26 行：建立 /mine 接口，GET 方式請求。
  • 第 28--30 行：建立 /transactions/new 接口，POST 方式請求，能夠給接口發送交易數據。
  • 第 32--38 行：建立 /chain 接口，返回整個區塊鏈。
  • 第 40--41 行：服務器運行端口 5000 。

發送交易

發送到節點的交易數據結構以下：

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

由於咱們已經有了添加交易的方法，因此基於接口來添加交易就很簡單了。讓咱們爲添加事務寫函數:

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 
複製代碼

挖礦

挖礦正是神奇所在，它很簡單，作了一下三件事：

  1. 計算工做量證實 PoW
  2. 經過新增一個交易授予礦工（本身）一個幣
  3. 構造新區塊並將其添加到鏈中

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
複製代碼

注意交易的接收者是咱們本身的服務器節點，咱們作的大部分工做都只是圍繞 Blockchain 類方法進行交互。到此，咱們的區塊鏈就算完成了，咱們來實際運行下.


Step 3: 運行區塊鏈

你可使用 cURL 或 Postman 去和 API 進行交互

啓動 Server：

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

讓咱們經過請求 http://localhost:5000/mine （ GET ）來進行挖礦：


用 Postman 發起一個 GET 請求.

建立一個交易請求，請求 http://localhost:5000/transactions/new （POST）,如圖



若是不是使用 Postman，則用一下的 cURL 語句也是同樣的：

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

在挖了兩次礦以後，就有 3 個塊了，經過請求 http://localhost:5000/chain 能夠獲得全部的塊信息

{
  "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
}
複製代碼


Step 4: 一致性（共識）

咱們已經有了一個基本的區塊鏈能夠接受交易和挖礦。可是區塊鏈系統應該是分佈式的。既然是分佈式的，那麼咱們究竟拿什麼保證全部節點有一樣的鏈呢？這就是一致性問題，咱們要想在網絡上有多個節點，就必須實現一個一致性的算法

註冊節點

在實現一致性算法以前，咱們須要找到一種方式讓一個節點知道它相鄰的節點。每一個節點都須要保存一份包含網絡中其它節點的記錄。所以讓咱們新增幾個接口：

  1. /nodes/register 接收 URL 形式的新節點列表.
  2. /nodes/resolve 執行一致性算法，解決任何衝突，確保節點擁有正確的鏈.

咱們修改下 Blockchain 的 init 函數並提供一個註冊節點方法：

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: <str> Address of node. Eg. 'http://192.168.0.5:5000' :return: None """

        parsed_url = urlparse(address)
        self.nodes.add(parsed_url.netloc)
複製代碼

咱們用 set 來儲存節點，這是一種避免重複添加節點的簡單方法.


實現共識算法

就像先前講的那樣，當一個節點與另外一個節點有不一樣的鏈時，就會產生衝突。 爲了解決這個問題，咱們將制定最長的有效鏈條是最權威的規則。換句話說就是：在這個網絡裏最長的鏈就是最權威的。 咱們將使用這個算法，在網絡中的節點之間達成共識。

blockchain.py

...
import requests

class Blockchain(object)
    ...

    def valid_chain(self, chain):
        """ Determine if a given blockchain is valid :param chain: <list> A blockchain :return: <bool> 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: <bool> 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
複製代碼

第一個方法 valid_chain() 負責檢查一個鏈是否有效，方法是遍歷每一個塊並驗證散列和證實。

resolve_conflicts() 是一個遍歷咱們全部鄰居節點的方法，下載它們的鏈並使用上面的方法驗證它們。 若是找到一個長度大於咱們的有效鏈條，咱們就取代咱們的鏈條。

咱們將兩個端點註冊到咱們的API中，一個用於添加相鄰節點，另外一個用於解決衝突：

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
複製代碼

在這一點上，若是你喜歡，你可使用一臺不一樣的機器，並在你的網絡上啓動不一樣的節點。 或者使用同一臺機器上的不一樣端口啓動進程。 我在個人機器上，不一樣的端口上建立了另外一個節點，並將其註冊到當前節點。 所以，我有兩個節點：http://localhost:5000 和 http://localhost:5001。 註冊一個新節點：


而後我在節點 2 上挖掘了一些新的塊，以確保鏈條更長。 以後，我在節點1上調用 GET /nodes/resolve，其中鏈由一致性算法取代：




這是一個包，去找一些朋友一塊兒，以幫助測試你的區塊鏈。


我但願本文能激勵你創造更多新東西。我之因此對數字貨幣入迷，是由於我相信區塊鏈會很快改變咱們看待事物的方式，包括經濟、政府、檔案管理等。

更新：我計劃在接下來的第2部分中繼續討論區塊鏈交易驗證機制，並討論一些可讓區塊鏈進行生產的方法。

討論請前往： 使用 Python 一步步搭建本身的區塊鏈
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