如何用 Python 从 0 开始创建一个区块链?
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在数字货币盛行的档口,比特币,这币那币到底值不值得信赖呢?也许你像很多人一样感到新奇,想接近它,但只因背后的区块链技术,阻断了向新领域尝试的步伐。不过,对于程序员来说,想真正搞懂比特币,搞懂区块链,可不是难题,因为他们能边玩边学,通过一行行Pyhton代码,就能真正理解数字货币的底层秘密。能用这么有逼格的方式来学习区块链的,也只有程序员了。
作者 | Daniel van Flymen 纽约区块链工程师
译者 | 熊丽兵 牛娃软件CTO
本文经授权转自「区块链大本营」
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。
如果你还不是很了解哈希,可以查看这篇文章https://learncryptography.com/hash-functions/what-are-hash-functions。
环境准备
环境准备,确保已经安装Python3.6+、pip、Flask、requests。
安装方法:
pip install Flask==0.12.2 requests==2.18.4
同时还需要一个HTTP客户端,比如Postman、cURL或其它客户端。
参考源代码(原代码在我翻译的时候,无法运行,我fork了一份,修复了其中的错误,并添加了翻译,感谢star)。
开始创建Blockchain
新建一个文件 blockchain.py,本文所有的代码都写在这一个文件中,可以随时参考源代码。
Blockchain类
首先创建一个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,可参考{% post_link whatbc 区块链技术原理 %}。
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new_block(), new_transaction() 和hash() 方法:
import hashlibimport jsonfrom time import timeclass 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): """ 生成新块 :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 @property def last_block(self): return self.chain[-1] @staticmethod def hash(block): """ 生成块的 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()
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 sha256x = 5y = 0 # y未知while sha256(f'{x*y}'.encode()).hexdigest()[-1] != "0": y += 1print(f'The solution is y = {y}')
结果是y=21,因为:
hash(5 * 21) = 1253e9373e...5e3600155e860
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 hashlibimport jsonfrom time import timefrom uuid import uuid4class Blockchain(object): ... def proof_of_work(self, last_proof): """ 简单的工作量证明: - 查找一个 p' 使得 hash(pp') 以4个0开头 - p 是上一个块的证明, p' 是当前的证明 :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): """ 验证证明: 是否hash(last_proof, proof)以4个0开头? :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 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:
import hashlibimport jsonfrom textwrap import dedentfrom time import timefrom uuid import uuid4from flask import Flaskclass Blockchain(object): ...# Instantiate our Nodeapp = Flask(__name__)# Generate a globally unique address for this nodenode_identifier = str(uuid4()).replace('-', '')# Instantiate the Blockchainblockchain = 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), 200if __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:创建一个节点;
第18行:为节点创建一个随机的名字;
第21行:实例Blockchain类;
第24–26行:创建/mine GET接口;
第28–30行:创建/transactions/new POST接口,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:服务运行在端口5000上。
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}
之前已经有添加交易的方法,基于接口来添加交易就很简单了:
import hashlibimport jsonfrom textwrap import dedentfrom time import timefrom uuid import uuid4from 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,做了以下三件事:
计算工作量证明PoW;
通过新增一个交易授予矿工(自己)一个币;
构造新区块并将其添加到链中。
import hashlibimport jsonfrom textwrap import dedentfrom time import timefrom uuid import uuid4from flask import Flask, jsonify, request...import hashlibimport jsonfrom time import timefrom uuid import uuid4from 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) # 给工作量证明的节点提供奖励. # 发送者为 "0" 表明是新挖出的币 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
你可以使用cURL或Postman去和API进行交互。
启动server:
$ python blockchain.py* Runing on http://127.0.0.1:5000/ (Press CTRL+C to quit)
让我们通过请求 http://localhost:5000/mine 来进行挖矿:
通过post请求,添加一个新交易:
如果不是使用Postman,则用以下的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}
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:
/nodes/register 接收URL形式的新节点列表;
/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:
...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)
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。
我们使用以下的算法,来达到网络中的共识:
...import requestsclass 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): """ 共识算法解决冲突 使用网络中最长的链. :return: <bool> True 如果链被取代, 否则为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。
第二个方法 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。
让我们添加两个路由,一个用来注册节点,一个用来解决冲突。
@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,在不同的终端运行以下命令,就启动了两个节点:http://localhost:5000 和 http://localhost:5001。
pipenv run python blockchain.pypipenv run python blockchain.py -p 5001
然后在节点2上挖两个块,确保是更长的链,然后在节点1上访问接口/nodes/resolve,这时节点1的链会通过共识算法被节点2的链取代。
好啦,你可以邀请朋友们一起来测试你的区块链。
作者简介:Daniel van Flymen,纽约区块链工程师。
译者简介:熊丽兵,牛娃软件CTO,深入浅出区块链learnblockchain.cn博主,区块链大本营特邀专栏作者。擅长Java/Python/JavaScript语言,曾就职于创新工场(点心团队),猎豹移动,参与开发移动应用,如安卓优化大师、清理大师等。昵称Tiny熊,区块链大本营特邀专栏作者,对底层公链,区块链技术落地有深入研究。
本文原始链接https://learnblockchain.cn/2017/10/27/build_blockchain_by_python/,转载请注明出处。
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