用Python从零开始创建区块链

gaozi131 4年前
   <p style="text-align:center"><img src="https://simg.open-open.com/show/939f5e87636ec67a5a32323fb328530f.jpg"></p>    <p>作者认为最快的学习区块链的方式是自己创建一个,本文就跟随作者用Python来创建一个区块链。</p>    <p>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。</p>    <p>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。</p>    <p>准备工作</p>    <p>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。</p>    <p>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。</p>    <p>如果你还不是很了解哈希,可以查看这篇文章</p>    <p>环境准备</p>    <p>环境准备,确保已经安装Python3.6+, pip , Flask, requests</p>    <p>安装方法:</p>    <pre>  <code class="language-python">pip install Flask==0.12.2 requests==2.18.4   </code></pre>    <p>同时还需要一个HTTP客户端,比如Postman,cURL或其它客户端。</p>    <p>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)</p>    <p>开始创建Blockchain</p>    <p>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</p>    <p>Blockchain类</p>    <p>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。</p>    <p>以下是Blockchain类的框架:</p>    <pre>  <code class="language-python">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   </code></pre>    <p>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。</p>    <p>块结构</p>    <p>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。</p>    <p>以下是一个区块的结构:</p>    <pre>  <code class="language-python">block = {       'index': 1,       'timestamp': 1506057125.900785,       'transactions': [           {               'sender': "8527147fe1f5426f9dd545de4b27ee00",               'recipient': "a77f5cdfa2934df3954a5c7c7da5df1f",               'amount': 5,           }       ],       'proof': 324984774000,       'previous_hash': "2cf24dba5fb0a30e26e83b2ac5b9e29e1b161e5c1fa7425e73043362938b9824"   }   </code></pre>    <p>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,可参考区块链记账原理</p>    <p>加入交易</p>    <p>接下来我们需要添加一个交易,来完善下new_transaction方法</p>    <pre>  <code class="language-python">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   </code></pre>    <p>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。</p>    <p>创建新块</p>    <p>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。</p>    <p>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。</p>    <p>为了构造创世块,我们还需要完善newblock(), newtransaction() 和hash() 方法:</p>    <pre>  <code class="language-python">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()   </code></pre>    <p>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。</p>    <p>理解工作量证明</p>    <p>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。</p>    <p>为了方便理解,举个例子:</p>    <p>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?</p>    <p>用Python实现如下:</p>    <pre>  <code class="language-python">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}')   </code></pre>    <p>结果是y=21. 因为:</p>    <pre>  <code class="language-python">hash(5 * 21) = 1253e9373e...5e3600155e860   </code></pre>    <p>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。</p>    <p>当然,在网络上非常容易验证这个结果。</p>    <p>实现工作量证明</p>    <p>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。</p>    <pre>  <code class="language-python">import hashlib      import json      from time import time      from uuid import uuid4      class 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"   </code></pre>    <p>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。</p>    <p>现在Blockchain类基本已经完成了,接下来使用HTTP requests来进行交互。</p>    <p>Blockchain作为API接口</p>    <p>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。</p>    <p>我们将创建三个接口:</p>    <ul>     <li>/transactions/new 创建一个交易并添加到区块</li>     <li>/mine 告诉服务器去挖掘新的区块</li>     <li>/chain 返回整个区块链</li>    </ul>    <p>创建节点</p>    <p>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:</p>    <pre>  <code class="language-python">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)   </code></pre>    <p>简单的说明一下以上代码:</p>    <p>第15行: 创建一个节点.</p>    <p>第18行: 为节点创建一个随机的名字.</p>    <p>第21行: 实例Blockchain类.</p>    <p>第24–26行: 创建/mine GET接口。</p>    <p>第28–30行: 创建/transactions/new POST接口,可以给接口发送交易数据.</p>    <p>第32–38行: 创建 /chain 接口, 返回整个区块链。</p>    <p>第40–41行: 服务运行在端口5000上.</p>    <p>发送交易</p>    <p>发送到节点的交易数据结构如下:</p>    <pre>  <code class="language-python">{       "sender": "my address",       "recipient": "someone else's address",       "amount": 5      }   </code></pre>    <p>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</p>    <pre>  <code class="language-python">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   </code></pre>    <p>挖矿</p>    <p>挖矿正是神奇所在,它很简单,做了一下三件事:</p>    <ul>     <li>计算工作量证明PoW</li>     <li>通过新增一个交易授予矿工(自己)一个币</li>     <li>构造新区块并将其添加到链中</li>    </ul>    <pre>  <code class="language-python">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)          # 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   </code></pre>    <p>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</p>    <p>运行区块链</p>    <p>你可以使用cURL 或Postman 去和API进行交互</p>    <p>启动server:</p>    <pre>  <code class="language-python">$ python blockchain.py      * Runing on http://127.0.0.1:5000/ (Press CTRL+C to quit)   </code></pre>    <p>让我们通过请求 http://localhost:5000/mine 来进行挖矿</p>    <p><img src="https://simg.open-open.com/show/646d74298b8026ad09ef13f6be5d5d1d.jpg"></p>    <p>用Postman请求挖矿</p>    <p>通过post请求,添加一个新交易</p>    <p><img src="https://simg.open-open.com/show/9e3ffeb3a8597f310301d2706f95641a.jpg"></p>    <p>用Postman请求挖矿</p>    <p>如果不是使用Postman,则用一下的cURL语句也是一样的:</p>    <pre>  <code class="language-python">$ curl -X POST -H "Content-Type: application/json" -d '{       "sender": "d4ee26eee15148ee92c6cd394edd974e",       "recipient": "someone-other-address",       "amount": 5      }' "http://localhost:5000/transactions/new"   </code></pre>    <p>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。</p>    <pre>  <code class="language-python">{        "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      }   </code></pre>    <p>一致性(共识)</p>    <p>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。</p>    <p>注册节点</p>    <p>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:</p>    <p>/nodes/register 接收URL形式的新节点列表</p>    <p>/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</p>    <p>我们修改下Blockchain的init函数并提供一个注册节点方法:</p>    <pre>  <code class="language-python">...      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)   </code></pre>    <p>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。</p>    <p>实现共识算法</p>    <p>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。</p>    <p>我们使用一下的算法,来达到网络中的共识</p>    <pre>  <code class="language-python">...      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   </code></pre>    <p>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.</p>    <p>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</p>    <p>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。</p>    <pre>  <code class="language-python">@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   </code></pre>    <p>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://localhost:5000 和 http://localhost:5001</p>    <pre>  <code class="language-python">pipenv run python blockchain.py      pipenv run python blockchain.py -p 5001  </code></pre>    <p><img src="https://simg.open-open.com/show/a12ad005672fa58fee7beb2f13ffee0d.jpg"></p>    <p>注册新节点</p>    <p>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。</p>    <p><img src="https://simg.open-open.com/show/36fd292649b1da5a82480e5e7c32c7b8.jpg"></p>    <p>共识算法解决冲突</p>    <p>好啦,你可以邀请朋友们一起来测试你的区块链</p>    <p> </p>    <p>来自:http://developer.51cto.com/art/201801/563785.htm</p>    <p> </p>