用Python從零開始建立區塊鏈

本文主要內容翻譯自Learn Blockchains by Building One
本文原始連接,轉載請註明出處。
做者認爲最快的學習區塊鏈的方式是本身建立一個，本文就跟隨做者用Python來建立一個區塊鏈。

對數字貨幣的崛起感到新奇的咱們，而且想知道其背後的技術——區塊鏈是怎樣實現的。

可是徹底搞懂區塊鏈並不是易事，我喜歡在實踐中學習，經過寫代碼來學習技術會掌握得更牢固。經過構建一個區塊鏈能夠加深對區塊鏈的理解。

準備工做

本文要求讀者對Python有基本的理解，能讀寫基本的Python，而且須要對HTTP請求有基本的瞭解。

咱們知道區塊鏈是由區塊的記錄構成的不可變、有序的鏈結構，記錄能夠是交易、文件或任何你想要的數據，重要的是它們是經過哈希值（hashes）連接起來的。

若是你還不是很瞭解哈希，能夠查看這篇文章

環境準備

環境準備，確保已經安裝Python3.6+, pip , Flask, requests
安裝方法：

1	pip install Flask==0.12.2 requests==2.18.4

 

同時還須要一個HTTP客戶端，好比Postman，cURL或其它客戶端。

參考源代碼（原代碼在我翻譯的時候，沒法運行，我fork了一份，修復了其中的錯誤，並添加了翻譯，感謝star）

開始建立Blockchain

新建一個文件 blockchain.py，本文全部的代碼都寫在這一個文件中，能夠隨時參考源代碼

Blockchain類

首先建立一個Blockchain類，在構造函數中建立了兩個列表，一個用於儲存區塊鏈，一個用於儲存交易。

如下是Blockchain類的框架：

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22

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，下面咱們來進一步完善這些方法。

塊結構

每一個區塊包含屬性：索引（index），Unix時間戳（timestamp），交易列表（transactions），工做量證實（稍後解釋）以及前一個區塊的Hash值。

如下是一個區塊的結構：

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

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

 

到這裏，區塊鏈的概念就清楚了，每一個新的區塊都包含上一個區塊的Hash，這是關鍵的一點，它保障了區塊鏈不可變性。若是攻擊者破壞了前面的某個區塊，那麼後面全部區塊的Hash都會變得不正確。不理解的話，慢慢消化，可參考區塊鏈記帳原理

加入交易

接下來咱們須要添加一個交易，來完善下new_transaction方法

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19

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塊中 :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個交易記錄，並返回該記錄將被添加到的區塊(下一個待挖掘的區塊)的索引，等下在用戶提交交易時會有用。

建立新塊

當Blockchain實例化後，咱們須要構造一個創世塊（沒有前區塊的第一個區塊），而且給它加上一個工做量證實。
每一個區塊都須要通過工做量證實，俗稱挖礦，稍後會繼續講解。

爲了構造創世塊，咱們還須要完善new_block(), new_transaction() 和hash() 方法：

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66

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: <int> The proof given by the Proof of Work algorithm :param previous_hash: (Optional) <str> Hash of previous Block :return: <dict> 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塊中 :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 @property def last_block(self): return self.chain[-1] @staticmethod def hash(block): """ 生成塊的 SHA-256 hash值 :param block: <dict> Block :return: <str> """ # 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()

經過上面的代碼和註釋能夠對區塊鏈有直觀的瞭解，接下來咱們看看區塊是怎麼挖出來的。

理解工做量證實

新的區塊依賴工做量證實算法（PoW）來構造。PoW的目標是找出一個符合特定條件的數字，這個數字很難計算出來，但容易驗證。這就是工做量證實的核心思想。

爲了方便理解，舉個例子：

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。設變量 x = 5，求 y 的值？

用Python實現以下：

1 2 3 4 5 6

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}')

結果是y=21. 由於：

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

 

在比特幣中，使用稱爲Hashcash的工做量證實算法，它和上面的問題很相似。礦工們爲了爭奪建立區塊的權利而爭相計算結果。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，會得到比特幣獎勵。
固然，在網絡上很是容易驗證這個結果。

實現工做量證實

讓咱們來實現一個類似PoW算法，規則是：尋找一個數 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。

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37

import hashlib import json from time import time from uuid import uuid4 class Blockchain(object): ... def proof_of_work(self, last_proof): """ 簡單的工做量證實: - 查找一個 p' 使得 hash(pp') 以4個0開頭 - p 是上一個塊的證實, p' 是當前的證實 :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): """ 驗證證實: 是否hash(last_proof, proof)以4個0開頭? :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"

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。

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：

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41

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: 建立一個節點.
第18行: 爲節點建立一個隨機的名字.
第21行: 實例Blockchain類.
第24–26行: 建立/mine GET接口。
第28–30行: 建立/transactions/new POST接口,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: 服務運行在端口5000上.

發送交易

發送到節點的交易數據結構以下：

1 2 3 4 5

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

 

以前已經有添加交易的方法，基於接口來添加交易就很簡單了

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

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，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

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36

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) # 給工做量證實的節點提供獎勵. # 發送者爲 "0" 代表是新挖出的幣 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

運行區塊鏈

你可使用cURL 或Postman 去和API進行交互

啓動server:

1 2	$ python blockchain.py * Runing on http://127.0.0.1:5000/ (Press CTRL+C to quit)

 

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

經過post請求，添加一個新交易

若是不是使用Postman，則用一下的cURL語句也是同樣的：

1 2 3 4 5

$ 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。

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38

{ "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）

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：

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

... 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)

 

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

前面提到，衝突是指不一樣的節點擁有不一樣的鏈，爲了解決這個問題，規定最長的、有效的鏈纔是最終的鏈，換句話說，網絡中有效最長鏈纔是實際的鏈。

咱們使用一下的算法，來達到網絡中的共識

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67

... 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): """ 共識算法解決衝突 使用網絡中最長的鏈. :return: <bool> True 若是鏈被取代, 不然爲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() 用來檢查是不是有效鏈，遍歷每一個塊驗證hash和proof.

第2個方法 resolve_conflicts() 用來解決衝突，遍歷全部的鄰居節點，並用上一個方法檢查鏈的有效性， 若是發現有效更長鏈，就替換掉本身的鏈 

讓咱們添加兩個路由，一個用來註冊節點，一個用來解決衝突。

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34

@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

 

你能夠在不一樣的機器運行節點，或在一臺機機開啓不一樣的網絡端口來模擬多節點的網絡，這裏在同一臺機器開啓不一樣的端口演示，在不一樣的終端運行一下命令，就啓動了兩個節點：http://localhost:5000 和 http://localhost:5001

1 2	pipenv run python blockchain.py pipenv run python blockchain.py -p 5001

而後在節點2上挖兩個塊，確保是更長的鏈，而後在節點1上訪問接口/nodes/resolve ,這時節點1的鏈會經過共識算法被節點2的鏈取代。

好啦，你能夠邀請朋友們一塊兒來測試你的區塊鏈

 

本文轉自：https://learnblockchain.cn/2017/10/27/build_blockchain_by_python/