用Django實現一個可執行的區塊鏈應用-知識星球

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。

但是完全搞懂區塊鏈並非易事，我喜歡在實踐中學習，透過寫程式碼來學習技術會掌握得更牢固。透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，重要的是它們是透過雜湊值（hashes）連結起來的。

環境準備

環境準備，確保已經安裝Python3.5, pip , django, requests，urllib，json，hashlib
安裝方法：

pip install django requests

同時還需要一個HTTP客戶端，比如Postman，cURL或其它客戶端，本文以Postman為例。

開始建立Blockchain

透過django-admin startproject block建立一個block的專案，在專案中建立一個demo專案django-admin startproject demo ，目錄結構：

Blockchain類

在views中建立一個Blockchain類，在建構式中建立了兩個串列，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

接下來我們需要新增一個交易，來完善下new_transaction方法

class Blockchain(object):
    ...
    def new_transaction(self, sender, recipient, amount):
        """
        生成新交易資訊，資訊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

方法向串列中新增一個交易記錄，並傳回該記錄將被新增到的區塊(下一個待挖掘的區塊)的索引，等下在使用者提交交易時會有用。

建立新塊

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：

class Blockchain(object):
    def __init__(self):
        self.chain = []
        self.current_transactions = []
        self.new_block(previous_hash=1, proof=100)
        self.nodes = set()
    def new_block(self,proof,previous_hash= None):
        block = {
            'index': len(self.chain) + 1,
            'timestamp': time(),
            'transactions': self.current_transactions,
            'proof':proof ,
            'previous_hash': previous_hash or self.hash(self.chain[-1]),
        }
        self.current_transactions = []
        self.chain.append(block)
        return block
    def new_transaction(self,sender,recipient,amount):
        self.current_transactions.append({
            'sender': sender,
            'recipient': recipient,
            'amount': amount,
        })
        return self.last_block['index']+1
    @staticmethod
    def hash(block):
        block_string = json.dumps(block, sort_keys=True).encode()
        return hashlib.sha256(block_string).hexdigest()

透過上面的程式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
while sha256(str(x*y).encode()).hexdigest()[:4] != "0000":
      y += 1
      print(y,sha256(str(x*y).encode()).hexdigest()[:4])
print(y)

在比特幣中，使用稱為Hashcash的工作量證明演演算法，它和上面的問題很類似。礦工們為了爭奪建立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元的數量成正比，礦工算出結果後，會獲得比特幣獎勵。
當然，在網路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 last_block(self):
        return self.chain[-1]
    def proof_of_work(self, last_proof):
        proof = 0
        while self.valid_proof(last_proof, proof) is False:
            proof += 1
        return proof
    @staticmethod
    def valid_proof(last_proof, proof):
        guess = str(last_proof*proof).encode()
        guess_hash = hashlib.sha256(guess).hexdigest()
        return guess_hash[:5] == "00000"

衡量演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來進行互動。

Blockchain作為API介面

我們將使用Python django框架，這是一個輕量Web應用框架，它方便將網路請求對映到 Python函式，現在我們來讓來試一下：

我們將建立三個介面：

/transactions/new 建立一個交易並新增到區塊
/mine 告訴伺服器去挖掘新的區塊
/chain 傳回整個區塊鏈

建立節點

我們的“django web伺服器”將扮演區塊鏈網路中的一個節點。我們先新增一些框架程式碼：

node_identifier = str(uuid4()).replace('-', '')
# Instantiate the Blockchain
blockchain = Blockchain()
def mine(request):
    last_block = blockchain.last_block
    last_proof = last_block['proof']
    proof = blockchain.proof_of_work(last_proof)
    print(proof)
    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'],
    }
    print(response)
    return HttpResponse(json.dumps(response))
def new_transaction(request):
    values = json.loads(request.body.decode('utf-8'))
    required = ['sender', 'recipient', 'amount']
    if not all(k in values for k in required):
        return 'Missing values'
    index = blockchain.new_transaction(values['sender'], values['recipient'], values['amount'])
    print(index)
    response = {'message': 'Transaction will be added to Block %s'%index}
    return HttpResponse(json.dumps(response))
def full_chain(request):
    response = {
        'chain': blockchain.chain,
        'length': len(blockchain.chain),
    }
    return HttpResponse(json.dumps(response))

新增url路由節點：執行服務

from demo import views
urlpatterns = [
    url(r'^admin/', admin.site.urls),
    url(r'^mine', views.mine),
    url(r'^transactions/new/', views.new_transaction),
    url(r'^chain/', views.full_chain),
    url(r'^register', views.register_nodes),
    url(r'^resolve', views.consensus),
]

執行服務

python manage.py runserver 127.0.0.1:8000

傳送交易

傳送到節點的交易資料，結構如下：

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

向服務新增一個交易

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
透過新增一個交易授予礦工（自己）一個幣
構造新區塊並將其新增到鏈中

  def proof_of_work(self, last_proof):
        proof = 0
        while self.valid_proof(last_proof, proof) is False:
            proof += 1
        return proof
    @staticmethod
    def valid_proof(last_proof, proof):
        guess = str(last_proof*proof).encode()
        guess_hash = hashlib.sha256(guess).hexdigest()
        return guess_hash[:5] == "00000"

註意交易的接收者是我們自己的伺服器節點，我們做的大部分工作都只是圍繞Blockchain類方法進行互動。到此，我們的區塊鏈就算完成了，我們來實際執行下

執行區塊鏈

使用Postman 去和API進行互動

讓我們透過請求 http://127.0.0.1:8000/mine 來進行挖礦

在挖了兩次礦之後，就有3個塊了，透過請求 http://localhost:8000/chain 可以得到所有的塊資訊。

{
    "chain": [
        {
            "transactions": [],
            "proof": 100,
            "timestamp": 1520314374.7261052,
            "index": 1,
            "previous_hash": 1
        },
        {
            "transactions": [
                {
                    "sender": "0",
                    "recipient": "27d4aae55b2848dcae52bc722d86e0c3",
                    "amount": 1
                }
            ],
            "proof": 1771087,
            "timestamp": 1520314389.5019505,
            "index": 2,
            "previous_hash": "32fa73f48240160257e95fdf8422c6df734b5d7e8ceb69a41a5578643c1d36fb"
        },
        {
            "transactions": [
                {
                    "sender": "d4ee26eee15148ee92c6cd394edd9705",
                    "recipient": "5",
                    "amount": 500
                },
                {
                    "sender": "0",
                    "recipient": "27d4aae55b2848dcae52bc722d86e0c3",
                    "amount": 1
                }
            ],
            "proof": 100,
            "timestamp": 1520314592.4745598,
            "index": 3,
            "previous_hash": "e6b1be488e0ed20fe3ec51135e5fafb4dfffaa28a190967106a5dd3e89e4b3aa"
        }
    ],
    "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散式的。既然是分散式的，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，我們要想在網路上有多個節點，就必須實現一個一致性的演演算法。

註冊節點

在實現一致性演演算法之前，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路中其它節點的記錄。因此讓我們新增幾個介面：

/register 接收URL形式的新節點串列
/resolve 執行一致性演演算法，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):
        parsed_url = urlparse(address)
        self.nodes.add(parsed_url.netloc)

我們用 set 來儲存節點，這是一種避免重覆新增節點的簡單方法。

實現共識演演算法

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，網路中有效最長鏈才是實際的鏈。

我們使用一下的演演算法，來達到網路中的共識

class Blockchain(object):
    def __init__(self):
        ...
    def valid_chain(self, chain):
        last_block = chain[0]
        current_index = 1
        while current_index < len(chain):
            block = chain[current_index]
            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):
        neighbours = self.nodes
        new_chain = None
        max_length = len(self.chain)
        for node in neighbours:
            response = requests.get('http://%s/chain' %node)
            if response.status_code == 200:
                length = json.loads(response)['length']
                chain = json.loads(response)['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

在url中新增兩個路由，一個用來註冊節點，一個用來解決衝突。

from demo import views
urlpatterns = [
    url(r'^register', views.register_nodes),
    url(r'^resolve', views.consensus),
]

你可以在不同的機器執行節點，或在一臺機機開啟不同的網路埠來模擬多節點的網路，這裡在同一臺機器開啟不同的埠演示，在不同的終端執行一下命令，就啟動了兩個節點：http://127.0.0.1:8000和 http://127.0.0.1:8100

然後在節點8100節點上挖兩個塊，確保是更長的鏈，然後在節點8000節點上訪問介面/resolve ,這時節點8100的鏈會透過共識演演算法被節點8000節點的鏈取代。

作者：佈道

源自：

https://zhuanlan.zhihu.com/p/34272127

用Django實現一個可執行的區塊鏈應用