【程序员必看】如何用Python从0开始创建一个区块链?

区块链技术Butterfly2018-03-11 20:39:41  阅读 -评论 0  阅读原文

【程序员必看】如何用Python从0开始创建一个区块链?

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

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:

pipinstall Flask== 0. 12. 2requests== 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:

classBlockchain(object):

def__init__(self):

self.chain = []

self.current_transactions = []

defnew_block(self):

# Creates a new Block and adds it to the chain

pass

defnew_transaction(self):

# Adds a new transaction to the list of transactions

pass

@staticmethod

defhash(block):

# Hashes a Block

pass

@property

deflast_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

classBlockchain(object):

...

defnew_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,

})

returnself.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:

importhashlib

importjson

fromtime importtime

classBlockchain(object):

def__init__(self):

self.current_transactions = []

self.chain = []

# Create the genesis block

self.new_block(previous_hash= 1, proof= 100)

defnew_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 orself.hash(self.chain[ -1]),

}

# Reset the current list of transactions

self.current_transactions = []

self.chain.append(block)

returnblock

defnew_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,

})

returnself.last_block[ 'index'] + 1

@property

deflast_block(self):

returnself.chain[ -1]

@staticmethod

defhash(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()

returnhashlib.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:

fromhashlib importsha256

x = 5

y = 0# y未知

whilesha256( f'{x*y}'.encode()).hexdigest()[ -1] != "0":

y += 1

print( 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。

importhashlib

importjson

fromtime importtime

fromuuid importuuid4

classBlockchain(object):

...

defproof_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

whileself.valid_proof(last_proof, proof) isFalse:

proof += 1

returnproof

@staticmethod

defvalid_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()

returnguess_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:

importhashlib

importjson

fromtextwrap importdedent

fromtime importtime

fromuuid importuuid4

fromflask importFlask

classBlockchain(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'])

defmine():

return"We'll mine a new Block"

@app.route('/transactions/new', methods=['POST'])

defnew_transaction():

return"We'll add a new transaction"

@app.route('/chain', methods=['GET'])

deffull_chain():

response = {

'chain': blockchain.chain,

'length': len(blockchain.chain),

}

returnjsonify(response), 200

if__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

}

importhashlib

importjson

fromtextwrap importdedent

fromtime importtime

fromuuid importuuid4

fromflask importFlask, jsonify, request

...

@app.route('/transactions/new', methods=['POST'])

defnew_transaction():

values = request.get_json()

# Check that the required fields are in the POST'ed data

required = [ 'sender', 'recipient', 'amount']

ifnotall(k invalues fork inrequired):

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}'}

returnjsonify(response), 201

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

importhashlib

importjson

fromtextwrap importdedent

fromtime importtime

fromuuid importuuid4

fromflask importFlask, jsonify, request

...

importhashlib

importjson

fromtime importtime

fromuuid importuuid4

fromflask importFlask, jsonify, request

...

@app.route('/mine', methods=['GET'])

defmine():

# 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'],

}

returnjsonify(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 onhttp: //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

【程序员必看】如何用Python从0开始创建一个区块链?

通过post请求,添加一个新交易

【程序员必看】如何用Python从0开始创建一个区块链?

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"

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:

  1. /nodes/register 接收URL形式的新节点列表
  2. /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:

...

fromurllib.parse importurlparse

...

classBlockchain(object):

def__init__(self):

...

self.nodes = set()

...

defregister_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。

我们使用一下的算法,来达到网络中的共识

...

import requests

classBlockchain(object)

...

defvalid_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

whilecurrent_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

ifblock[ 'previous_hash'] != self.hash(last_block):

returnFalse

# Check that the Proof of Work is correct

ifnotself.valid_proof(last_block[ 'proof'], block[ 'proof']):

returnFalse

last_block = block

current_index += 1

returnTrue

defresolve_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

fornode inneighbours:

response = requests.get(f 'http://{node}/chain')

ifresponse.status_code == 200:

length = response.json()[ 'length']

chain = response.json()[ 'chain']

# Check if the length is longer and the chain is valid

iflength > max_length andself.valid_chain(chain):

max_length = length

new_chain = chain

# Replace our chain if we discovered a new, valid chain longer than ours

ifnew_chain:

self.chain = new_chain

returnTrue

returnFalse

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。

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'])

defregister_nodes():

values = request.get_json()

nodes = values.get( 'nodes')

ifnodes is None:

return"Error: Please supply a valid list of nodes", 400

fornode innodes:

blockchain.register_node(node)

response = {

'message': 'New nodes have been added',

'total_nodes': list(blockchain.nodes),

}

returnjsonify(response), 201

@app.route( '/nodes/resolve', methods=[ 'GET'])

defconsensus():

replaced = blockchain.resolve_conflicts()

ifreplaced:

response = {

'message': 'Our chain was replaced',

'new_chain': blockchain.chain

}

else:

response = {

'message': 'Our chain is authoritative',

'chain': blockchain.chain

}

returnjsonify(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,在不同的终端运行一下命令,就启动了两个节点:http://localhost:5000 和 http://localhost:5001

pipenvrunpythonblockchain.py

pipenvrunpythonblockchain.py-p5001

【程序员必看】如何用Python从0开始创建一个区块链?

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。

【程序员必看】如何用Python从0开始创建一个区块链?

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/Java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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