使用Python一步步搭建自己的区块链

开发 后端 区块链
你是否会和我一样,对加密数字货币底层的区块链技术非常感兴趣,特别想了解他们的运行机制。我喜欢在实践中学习,尤其喜欢一代码为基础去了解整个工作机制。如果你我一样喜欢这种学习方式,当你学完本教程时,你将会知道区块链技术是如何工作的。

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你是否会和我一样,对加密数字货币底层的区块链技术非常感兴趣,特别想了解他们的运行机制。

但是学习区块链技术并非一帆风顺,我看多了大量的视频教程还有各种课程,最终的感觉就是真正可用的实战课程太少。

我喜欢在实践中学习,尤其喜欢一代码为基础去了解整个工作机制。如果你我一样喜欢这种学习方式,当你学完本教程时,你将会知道区块链技术是如何工作的。

写在开始之前

记住,区块链是一个 不可变的、有序的 被称为块的记录链。它们可以包含交易、文件或任何您喜欢的数据。但重要的是,他们用哈希 一起被链接在一起。

如果你不熟悉哈希, 这里是一个解释。

该指南的目的是什么? 你可以舒服地阅读和编写基础的Python,因为我们将通过HTTP与区块链进行讨论,所以你也要了解HTTP的工作原理。

我需要准备什么? 确定安装了 Python 3.6+ (还有 pip) ,你还需要安装 Flask、 Requests 库:

`pip install Flask==0.12.2 requests==2.18.4`

对了, 你还需要一个支持HTTP的客户端, 比如 Postman 或者 cURL,其他也可以。

源码在哪儿? 可以点击这里

Step 1: 创建一个区块链

打开你最喜欢的文本编辑器或者IDE, 我个人比较喜欢 PyCharm. 新建一个名为blockchain.py的文件。 我们将只用这一个文件就可以。但是如果你还是不太清楚, 你也可以参考 源码.

描述区块链

我们要创建一个 Blockchain 类 ,他的构造函数创建了一个初始化的空列表(要存储我们的区块链),并且另一个存储交易。下面是我们这个类的实例:

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 
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我们的 Blockchain 类负责管理链式数据,它会存储交易并且还有添加新的区块到链式数据的Method。让我们开始扩充更多Method

块是什么样的 ?

每个块都有一个 索引,一个 时间戳(Unix时间戳),一个事务列表, 一个 校验(稍后详述) 和 前一个块的散列 。

下面是一个Block的例子 :

blockchain.py

 

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

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在这一点上,一个 区块链 的概念应该是明显的 - 每个新块都包含在其内的前一个块的 散列 。 这是至关重要的,因为这是 区块链 不可改变的原因:如果攻击者损坏 区块链 中较早的块,则所有后续块将包含不正确的哈希值。

这有道理吗? 如果你还没有想通,花点时间仔细思考一下 - 这是区块链背后的核心理念

添加交易到区块

我们将需要一个添加交易到区块的方式。我们的 new_transaction()方法的责任就是这个, 并且它非常的简单:

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 
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 new_transaction() 方法添加了交易到列表,它返回了交易将被添加到的区块的索引---讲开采下一个这对稍后对提交交易的用户有用。

创建新的区块

当我们的  Blockchain  被实例化后,我们需要将 创世 区块(一个没有前导区块的区块)添加进去进去。我们还需要向我们的起源块添加一个 证明,这是挖矿的结果(或工作证明)。 我们稍后会详细讨论挖矿。

除了在构造函数中创建 创世 区块外,我们还会补全  new_block() 、  new_transaction()  和 hash() 函数:

blockchain.py

 

import hashlib  
import json  
from time import time  
 
class Blockchain(object):  
    def __init__(self):  
        self.current_transactions = []  
        self.chain = []  
 
        # 创建创世区块  
        self.new_block(previous_hash=1, proof=100)  
 
    def new_block(self, proof, previous_hash=None):  
        "" 
        创建一个新的区块到区块链中  
        :param proof: <int> 由工作证明算法生成的证明  
        :param previous_hash: (Optional) <str> 前一个区块的 hash 值  
        :return: <dict> 新区块  
        "" 
 
        block = {  
            'index': len(self.chain) + 1,  
            'timestamp'time(),  
            'transactions': self.current_transactions,  
            'proof': proof,  
            'previous_hash': previous_hash or self.hash(self.chain[-1]),  
        } 
 
        # 重置当前交易记录  
        self.current_transactions = []  
 
        self.chain.append(block)  
        return block 
 
    def new_transaction(self, sender, recipient, amount):  
        "" 
        创建一笔新的交易到下一个被挖掘的区块中  
        :param sender: <str> 发送人的地址  
        :param recipient: <str> 接收人的地址  
        :param amount: <int> 金额  
        :return: <int> 持有本次交易的区块索引  
        "" 
        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):  
        "" 
        给一个区块生成 SHA-256 值  
        :param block: <dict> Block  
        :return: <str>  
        "" 
 
        # 我们必须确保这个字典(区块)是经过排序的,否则我们将会得到不一致的散列  
        block_string = json.dumps(block, sort_keys=True).encode()  
        return hashlib.sha256(block_string).hexdigest() 
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上面的代码应该是直白的 --- 为了让代码清晰,我添加了一些注释和文档说明。 我们差不多完成了我们的区块链。 但在这个时候你一定很疑惑新的块是怎么被创建、锻造或挖掘的。

工作量证明算法

使用工作量证明(PoW)算法,来证明是如何在区块链上创建或挖掘新的区块。PoW 的目标是计算出一个符合特定条件的数字,这个数字对于所有人而言必须在计算上非常困难,但易于验证。这是工作证明背后的核心思想。

我们将看到一个简单的例子帮助你理解:

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 x = 5,求 y ?用 Python 实现:

 

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}'
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结果是: y = 21。因为,生成的 Hash 值结尾必须为 0。

 

hash(5 * 21) = 1253e9373e...5e3600155e860 
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在比特币中,工作量证明算法被称为 Hashcash ,它和上面的问题很相似,只不过计算难度非常大。这就是矿工们为了争夺创建区块的权利而争相计算的问题。 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,就会获得一定数量的比特币奖励(通过交易)。

验证结果,当然非常容易。

实现工作量证明

让我们来实现一个相似 PoW 算法。规则类似上面的例子:

    找到一个数字 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。

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: <intCurrent 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" 
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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。

Step 2: 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:

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) 
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简单的说明一下以上代码:

  • 第 15 行:实例化节点。阅读更多关于 Flask 内容。
  • 第 18 行:为节点创建一个随机的名称。.
  • 第 21 行:实例化 Blockchain 类。
  • 第 24--26 行:创建 /mine 接口,GET 方式请求。 
  • 第 28--30 行:创建 /transactions/new 接口,POST 方式请求,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:服务器运行端口 5000 。

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  

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因为我们已经有了添加交易的方法,所以基于接口来添加交易就很简单了。让我们为添加事务写函数:

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 
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挖矿

挖矿正是神奇所在,它很简单,做了一下三件事:

  1. 计算工作量证明 PoW
  2. 通过新增一个交易授予矿工(自己)一个币
  3. 构造新区块并将其添加到链中

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 
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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.

Step 3: 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  
* Running on http://127.0.0.1:5000/ (Press CTRL+C to quit) 
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让我们通过请求 http://localhost:5000/mine ( GET )来进行挖矿:

 

 

用 Postman 发起一个 GET 请求。

创建一个交易请求,请求 http://localhost:5000/transactions/new (POST),如图

 

 

如果不是使用 Postman,则用一下的 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" 
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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  

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Step 4: 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:

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) 
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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

就像先前讲的那样,当一个节点与另一个节点有不同的链时,就会产生冲突。 为了解决这个问题,我们将制定最长的有效链条是最权威的规则。换句话说就是:在这个网络里最长的链就是最权威的。 我们将使用这个算法,在网络中的节点之间达成共识。

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 
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第一个方法 valid_chain() 负责检查一个链是否有效,方法是遍历每个块并验证散列和证明。

resolve_conflicts() 是一个遍历我们所有邻居节点的方法,下载它们的链并使用上面的方法验证它们。 如果找到一个长度大于我们的有效链条,我们就取代我们的链条。

我们将两个端点注册到我们的API中,一个用于添加相邻节点,另一个用于解决冲突:

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 
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在这一点上,如果你喜欢,你可以使用一台不同的机器,并在你的网络上启动不同的节点。 或者使用同一台机器上的不同端口启动进程。 我在我的机器上,不同的端口上创建了另一个节点,并将其注册到当前节点。 因此,我有两个节点:http://localhost:5000 和 http://localhost:5001。 注册一个新节点:

 

然后我在节点 2 上挖掘了一些新的块,以确保链条更长。 之后,我在节点1上调用 GET /nodes/resolve,其中链由一致性算法取代:

 

这是一个包,去找一些朋友一起,以帮助测试你的区块链。

 

我希望本文能激励你创造更多新东西。我之所以对数字货币入迷,是因为我相信区块链会很快改变我们看待事物的方式,包括经济、政府、档案管理等。 

责任编辑:庞桂玉 来源: segmentfault
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