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用Python從零開始創建區塊鏈

來自:深入淺出區塊鏈

鏈接:https://learnblockchain.cn/2017/10/27/build_blockchain_by_python/

本文原作者Daniel van Flymen,翻譯Tiny熊,點擊文末的閱讀原文可直接抵達原文。

對數字貨幣的崛起感到新奇的我們,並且想知道其背後的技術——區塊鏈是怎樣實現的。作者認為最快的學習區塊鏈的方式是自己創建一個,本文就跟隨作者用Python來創建一個區塊鏈。在實踐中學習,通過構建一個區塊鏈可以加深對區塊鏈的理解。


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,並且需要對HTTP請求有基本的瞭解。

我們知道區塊鏈是由區塊的記錄構成的不可變、有序的鏈結構,記錄可以是交易、檔案或任何你想要的資料,重要的是它們是通過哈希值(hashes)鏈接起來的。

環境準備

確保已經安裝Python3.6+, pip , Flask, requests,安裝方法:

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

https://github.com/xilibi2003/blockchain

開始創建Blockchain

新建一個檔案 blockchain.py,本文所有的代碼都寫在這一個檔案中,可以隨時參考

https://github.com/xilibi2003/blockchain

Blockchain類

首先創建一個Blockchain類,在建構式中創建了兩個串列,一個用於儲存區塊鏈,一個用於儲存交易。以下是Blockchain類的框架:

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類用來管理鏈條,它能儲存交易,加入新塊等,下麵我們來進一步完善這些方法。

塊結構

每個區塊包含屬性:索引(index),Unix時間戳(timestamp),交易串列(transactions),工作量證明(稍後解釋)以及前一個區塊的Hash值。以下是一個區塊的結構:

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


到這裡,區塊鏈的概念就清楚了,每個新的區塊都包含上一個區塊的Hash,這是關鍵的一點,它保障了區塊鏈不可變性。如果攻擊者破壞了前面的某個區塊,那麼後面所有區塊的Hash都會變得不正確。不理解的話,慢慢消化。

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:

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塊中
       :param sender: Address of the Sender
       :param recipient: Address of the Recipient
       :param amount: Amount
       :return: 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

方法向串列中添加一個交易記錄,並傳回該記錄將被添加到的區塊(下一個待挖掘的區塊)的索引,等下在用戶提交交易時會有用。

創建新塊

當Blockchain實體化後,我們需要構造一個創世塊(沒有前區塊的第一個區塊),並且給它加上一個工作量證明。每個區塊都需要經過工作量證明,俗稱挖礦,稍後會繼續講解。為了構造創世塊,我們還需要完善new_block(), new_transaction() 和hash() 方法:

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: The proof given by the Proof of Work algorithm
       :param previous_hash: (Optional) Hash of previous Block
       :return: 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塊中
       :param sender: Address of the Sender
       :param recipient: Address of the Recipient
       :param amount: Amount
       :return: 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: Block
       :return:
       """


       # 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()


通過上面的代碼和註釋可以對區塊鏈有直觀的瞭解,接下來我們看看區塊是怎麼挖出來的。

理解工作量證明

新的區塊依賴工作量證明演算法(PoW)來構造,PoW的標的是找出一個符合特定條件的數字,這個數字很難計算出來,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:假設一個整數 x 乘以另一個整數 y 的積的 Hash 值必須以 0 結尾,即hash(x * y) = ac23dc…0,設變數 x = 5,求 y 的值?用Python實現如下:

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}')


結果是y=21. 因為:

hash(5 * 21) = 1253e9373e...5e3600155e860

在比特幣中,使用稱為Hashcash的工作量證明演算法,它和上面的問題很類似。礦工們為了爭奪創建區塊的權利而爭相計算結果。通常,計算難度與標的字串需要滿足的特定字符的數量成正比,礦工算出結果後,會獲得比特幣獎勵。

當然,在網絡上非常容易驗證這個結果。

實現工作量證明

讓我們來實現一個相似PoW演算法,規則是:尋找一個數 p,使得它與前一個區塊的 proof 拼接成的字串的 Hash 值以 4 個零開頭。

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:
       :return:
       """


       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: Previous Proof
       :param proof: Current Proof
       :return: True if correct, False if not.
       """


       guess = f'{last_proof}{proof}'.encode()
       guess_hash = hashlib.sha256(guess).hexdigest()
       return guess_hash[:4] == "0000"

衡量演算法複雜度的辦法是修改零開頭的個數。使用4個來用於演示,你會發現多一個零都會大大增加計算出結果所需的時間。現在Blockchain類基本已經完成了,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應用框架,它方便將網絡請求映射到 Python函式,現在我們來讓Blockchain運行在基於Flask web上。

我們將創建三個接口:

  • /transactions/new 創建一個交易並添加到區塊

  • /mine 告訴服務器去挖掘新的區塊

  • /chain 傳回整個區塊鏈

創建節點

我們的Flask服務器將扮演區塊鏈網絡中的一個節點。我們先添加一些框架代碼:

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: 創建一個節點.
第18行: 為節點創建一個隨機的名字.
第21行: 實體Blockchain類.
第24–26行: 創建/mine GET接口。
第28–30行: 創建/transactions/new POST接口,可以給接口發送交易資料.
第32–38行: 創建 /chain 接口, 傳回整個區塊鏈.
第40–41行: 服務運行在端口5000上.

發送交易

發送到節點的交易資料結構如下:

{
"sender": "my address",
"recipient": "someone else's address",
"amount": 5
}

之前已經有添加交易的方法,基於接口來添加交易就很簡單了

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:

  1. 計算工作量證明PoW

  2. 通過新增一個交易授予礦工(自己)一個幣

  3. 構造新區塊並將其添加到鏈中

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)

   # 給工作量證明的節點提供獎勵.
   # 發送者為 "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


註意交易的接收者是我們自己的服務器節點,我們做的大部分工作都只是圍繞Blockchain類方法進行交互。到此,我們的區塊鏈就算完成了,我們來實際運行下。

運行區塊鏈

你可以使用cURL 或Postman 去和API進行交互,啟動server:

$ 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陳述句也是一樣的:

$ curl -X POST -H "Content-Type: application/json" -d '{
"sender": "d4ee26eee15148ee92c6cd394edd974e",
"recipient": "someone-other-address",
"amount": 5
}'
"http://localhost:5000/transactions/new"


在挖了兩次礦之後,就有3個塊了,通過請求 http://localhost:5000/chain 可以得到所有的塊信息。

{
 "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(共識)

我們已經有了一個基本的區塊鏈可以接受交易和挖礦。但是區塊鏈系統應該是分佈式的。既然是分佈式的,那麼我們究竟拿什麼保證所有節點有同樣的鏈呢?這就是一致性問題,我們要想在網絡上有多個節點,就必須實現一個一致性的演算法。

註冊節點

在實現一致性演算法之前,我們需要找到一種方式讓一個節點知道它相鄰的節點。每個節點都需要儲存一份包含網絡中其它節點的記錄。因此讓我們新增幾個接口:

  1. /nodes/register 接收URL形式的新節點串列

  2. /nodes/resolve 執行一致性演算法,解決任何衝突,確保節點擁有正確的鏈


我們修改下Blockchain的init函式並提供一個註冊節點方法:

...
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: 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 來儲存節點,這是一種避免重覆添加節點的簡單方法。

實現共識演算法

前面提到,衝突是指不同的節點擁有不同的鏈,為瞭解決這個問題,規定最長的、有效的鏈才是最終的鏈,換句話說,網絡中有效最長鏈才是實際的鏈。我們使用一下的演算法,來達到網絡中的共識。

...
import requests

class Blockchain(object)
   ...
   
   def valid_chain(self, chain):
       """
       Determine if a given blockchain is valid
       :param chain: A blockchain
       :return: 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("-----------")
           # 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):
       """
       共識演算法解決衝突
       使用網絡中最長的鏈.
       :return: 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;第二個方法 resolve_conflicts() 用來解決衝突,遍歷所有的鄰居節點,並用上一個方法檢查鏈的有效性,如果發現有效更長鏈,就替換掉自己的鏈。

讓我們添加兩個路由,一個用來註冊節點,一個用來解決衝突。

@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


你可以在不同的機器運行節點,或在一臺機機開啟不同的網絡端口來模擬多節點的網絡,這裡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,就啟動了兩個節點:http://localhost:5000 和 http://localhost:5001

pipenv run python blockchain.py
pipenv run python blockchain.py -p 5001

然後在節點2上挖兩個塊,確保是更長的鏈,然後在節點1上訪問接口/nodes/resolve ,這時節點1的鏈會通過共識演算法被節點2的鏈取代。

好啦,你可以邀請朋友們一起來測試你的區塊鏈


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