作者認為最快的學習區(qū)塊鏈的方式是自己創(chuàng)建一個,本文就跟隨作者用Python來創(chuàng)建一個區(qū)塊鏈。
對數(shù)字貨幣的崛起感到新奇的我們,并且想知道其背后的技術(shù)——區(qū)塊鏈是怎樣實現(xiàn)的。
但是完全搞懂區(qū)塊鏈并非易事,我喜歡在實踐中學習,通過寫代碼來學習技術(shù)會掌握得更牢固。通過構(gòu)建一個區(qū)塊鏈可以加深對區(qū)塊鏈的理解。
準備工作
本文要求讀者對Python有基本的理解,能讀寫基本的Python,并且需要對HTTP請求有基本的了解。
我們知道區(qū)塊鏈是由區(qū)塊的記錄構(gòu)成的不可變、有序的鏈結(jié)構(gòu),記錄可以是交易、文件或任何你想要的數(shù)據(jù),重要的是它們是通過哈希值(hashes)鏈接起來的。
如果你還不是很了解哈希,可以查看這篇文章
環(huán)境準備
環(huán)境準備,確保已經(jīng)安裝Python3.6+, pip , Flask, requests
安裝方法:
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pip install Flask = = 0.12 . 2 requests = = 2.18 . 4 |
同時還需要一個HTTP客戶端,比如Postman,cURL或其它客戶端。
參考源代碼(原代碼在我翻譯的時候,無法運行,我fork了一份,修復了其中的錯誤,并添加了翻譯,感謝star)
開始創(chuàng)建Blockchain
新建一個文件 blockchain.py,本文所有的代碼都寫在這一個文件中,可以隨時參考源代碼
Blockchain類
首先創(chuàng)建一個Blockchain類,在構(gòu)造函數(shù)中創(chuàng)建了兩個列表,一個用于儲存區(qū)塊鏈,一個用于儲存交易。
以下是Blockchain類的框架:
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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,下面我們來進一步完善這些方法。
塊結(jié)構(gòu)
每個區(qū)塊包含屬性:索引(index),Unix時間戳(timestamp),交易列表(transactions),工作量證明(稍后解釋)以及前一個區(qū)塊的Hash值。
以下是一個區(qū)塊的結(jié)構(gòu):
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block = { 'index' : 1 , 'timestamp' : 1506057125.900785 , 'transactions' : [ { 'sender' : "8527147fe1f5426f9dd545de4b27ee00" , 'recipient' : "a77f5cdfa2934df3954a5c7c7da5df1f" , 'amount' : 5 , } ], 'proof' : 324984774000 , 'previous_hash' : "2cf24dba5fb0a30e26e83b2ac5b9e29e1b161e5c1fa7425e73043362938b9824" } |
到這里,區(qū)塊鏈的概念就清楚了,每個新的區(qū)塊都包含上一個區(qū)塊的Hash,這是關(guān)鍵的一點,它保障了區(qū)塊鏈不可變性。如果攻擊者破壞了前面的某個區(qū)塊,那么后面所有區(qū)塊的Hash都會變得不正確。
加入交易
接下來我們需要添加一個交易,來完善下new_transaction方法
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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(qū)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,并返回該記錄將被添加到的區(qū)塊(下一個待挖掘的區(qū)塊)的索引,等下在用戶提交交易時會有用。
創(chuàng)建新塊
當Blockchain實例化后,我們需要構(gòu)造一個創(chuàng)世塊(沒有前區(qū)塊的第一個區(qū)塊),并且給它加上一個工作量證明。
每個區(qū)塊都需要經(jīng)過工作量證明,俗稱挖礦,稍后會繼續(xù)講解。
為了構(gòu)造創(chuàng)世塊,我們還需要完善new_block(), new_transaction() 和hash() 方法:
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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(qū)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() |
通過上面的代碼和注釋可以對區(qū)塊鏈有直觀的了解,接下來我們看看區(qū)塊是怎么挖出來的。
理解工作量證明
新的區(qū)塊依賴工作量證明算法(PoW)來構(gòu)造。PoW的目標是找出一個符合特定條件的數(shù)字,這個數(shù)字很難計算出來,但容易驗證。這就是工作量證明的核心思想。
為了方便理解,舉個例子:
假設(shè)一個整數(shù) x 乘以另一個整數(shù) y 的積的 Hash 值必須以 0 結(jié)尾,即 hash(x * y) = ac23dc…0。設(shè)變量 x = 5,求 y 的值?
用Python實現(xiàn)如下:
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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(jié)果是y=21. 因為:
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hash ( 5 * 21 ) = 1253e9373e ... 5e3600155e860 |
在比特幣中,使用稱為Hashcash的工作量證明算法,它和上面的問題很類似。礦工們?yōu)榱藸帄Z創(chuàng)建區(qū)塊的權(quán)利而爭相計算結(jié)果。通常,計算難度與目標字符串需要滿足的特定字符的數(shù)量成正比,礦工算出結(jié)果后,會獲得比特幣獎勵。
當然,在網(wǎng)絡(luò)上非常容易驗證這個結(jié)果。
實現(xiàn)工作量證明
讓我們來實現(xiàn)一個相似PoW算法,規(guī)則是:尋找一個數(shù) p,使得它與前一個區(qū)塊的 proof 拼接成的字符串的 Hash 值以 4 個零開頭。
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import hashlib import json from time import time from uuid import uuid4 class Blockchain( object ): ... def proof_of_work( self , last_proof): """ 簡單的工作量證明: - 查找一個 p' 使得 hash(pp') 以4個0開頭 - p 是上一個塊的證明, p' 是當前的證明 :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): """ 驗證證明: 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" |
衡量算法復雜度的辦法是修改零開頭的個數(shù)。使用4個來用于演示,你會發(fā)現(xiàn)多一個零都會大大增加計算出結(jié)果所需的時間。
現(xiàn)在Blockchain類基本已經(jīng)完成了,接下來使用HTTP requests來進行交互。
Blockchain作為API接口
我們將使用Python Flask框架,這是一個輕量Web應(yīng)用框架,它方便將網(wǎng)絡(luò)請求映射到 Python函數(shù),現(xiàn)在我們來讓Blockchain運行在基于Flask web上。
我們將創(chuàng)建三個接口:
/transactions/new 創(chuàng)建一個交易并添加到區(qū)塊
/mine 告訴服務(wù)器去挖掘新的區(qū)塊
/chain 返回整個區(qū)塊鏈
創(chuàng)建節(jié)點
我們的“Flask服務(wù)器”將扮演區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中的一個節(jié)點。我們先添加一些框架代碼:
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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: 創(chuàng)建一個節(jié)點.
第18行: 為節(jié)點創(chuàng)建一個隨機的名字.
第21行: 實例Blockchain類.
第24–26行: 創(chuàng)建/mine GET接口。
第28–30行: 創(chuàng)建/transactions/new POST接口,可以給接口發(fā)送交易數(shù)據(jù).
第32–38行: 創(chuàng)建 /chain 接口, 返回整個區(qū)塊鏈。
第40–41行: 服務(wù)運行在端口5000上.
發(fā)送交易
發(fā)送到節(jié)點的交易數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下:
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{ "sender" : "my address" , "recipient" : "someone else's address" , "amount" : 5 } |
之前已經(jīng)有添加交易的方法,基于接口來添加交易就很簡單了
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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,做了一下三件事:
- 計算工作量證明PoW
- 通過新增一個交易授予礦工(自己)一個幣
- 構(gòu)造新區(qū)塊并將其添加到鏈中
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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) # 給工作量證明的節(jié)點提供獎勵. # 發(fā)送者為 "0" 表明是新挖出的幣 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我們自己的服務(wù)器節(jié)點,我們做的大部分工作都只是圍繞Blockchain類方法進行交互。到此,我們的區(qū)塊鏈就算完成了,我們來實際運行下
運行區(qū)塊鏈
你可以使用cURL 或Postman 去和API進行交互
啟動server:
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$ python blockchain.py * Runing on http: / / 127.0 . 0.1 : 5000 / (Press CTRL + C to quit) |
讓我們通過請求 http://localhost:5000/mine 來進行挖礦
通過post請求,添加一個新交易
如果不是使用Postman,則用一下的cURL語句也是一樣的:
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$ curl - X POST - H "Content-Type: application/json" - d '{ "sender" : "d4ee26eee15148ee92c6cd394edd974e" , "recipient" : "someone-other-address" , "amount" : 5 }' "http://localhost:5000/transactions/new" |
在挖了兩次礦之后,就有3個塊了,通過請求 http://localhost:5000/chain 可以得到所有的塊信息。
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{ "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)
我們已經(jīng)有了一個基本的區(qū)塊鏈可以接受交易和挖礦。但是區(qū)塊鏈系統(tǒng)應(yīng)該是分布式的。既然是分布式的,那么我們究竟拿什么保證所有節(jié)點有同樣的鏈呢?這就是一致性問題,我們要想在網(wǎng)絡(luò)上有多個節(jié)點,就必須實現(xiàn)一個一致性的算法。
注冊節(jié)點
在實現(xiàn)一致性算法之前,我們需要找到一種方式讓一個節(jié)點知道它相鄰的節(jié)點。每個節(jié)點都需要保存一份包含網(wǎng)絡(luò)中其它節(jié)點的記錄。因此讓我們新增幾個接口:
/nodes/register 接收URL形式的新節(jié)點列表
/nodes/resolve 執(zhí)行一致性算法,解決任何沖突,確保節(jié)點擁有正確的鏈
我們修改下Blockchain的init函數(shù)并提供一個注冊節(jié)點方法:
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... 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) |
我們用 set 來儲存節(jié)點,這是一種避免重復添加節(jié)點的簡單方法。
實現(xiàn)共識算法
前面提到,沖突是指不同的節(jié)點擁有不同的鏈,為了解決這個問題,規(guī)定最長的、有效的鏈才是最終的鏈,換句話說,網(wǎng)絡(luò)中有效最長鏈才是實際的鏈。
我們使用一下的算法,來達到網(wǎng)絡(luò)中的共識
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... 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 ): """ 共識算法解決沖突 使用網(wǎng)絡(luò)中最長的鏈. :return: <bool> True 如果鏈被取代, 否則為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() 用來檢查是否是有效鏈,遍歷每個塊驗證hash和proof.
第2個方法 resolve_conflicts() 用來解決沖突,遍歷所有的鄰居節(jié)點,并用上一個方法檢查鏈的有效性, 如果發(fā)現(xiàn)有效更長鏈,就替換掉自己的鏈
讓我們添加兩個路由,一個用來注冊節(jié)點,一個用來解決沖突。
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@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 |
你可以在不同的機器運行節(jié)點,或在一臺機機開啟不同的網(wǎng)絡(luò)端口來模擬多節(jié)點的網(wǎng)絡(luò),這里在同一臺機器開啟不同的端口演示,在不同的終端運行一下命令,就啟動了兩個節(jié)點:http://localhost:5000 和 http://localhost:5001
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pipenv run python blockchain.py pipenv run python blockchain.py - p 5001 |
然后在節(jié)點2上挖兩個塊,確保是更長的鏈,然后在節(jié)點1上訪問接口/nodes/resolve ,這時節(jié)點1的鏈會通過共識算法被節(jié)點2的鏈取代。
好啦,你可以邀請朋友們一起來測試你的區(qū)塊鏈
本文主要內(nèi)容翻譯自Learn Blockchains by Building One
原文鏈接:https://learnblockchain.cn/2017/10/27/build_blockchain_by_python/