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用Django實現一個可運行的區塊鏈應用

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,通過寫代碼來學習技術會掌握得更牢固。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

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。

開始創建Blockchain

通過django-admin startproject block創建一個block的專案,在專案中創建一個demo專案django-admin startproject demo ,目錄結構:

Blockchain類

在views中創建一個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:

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()

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
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 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 django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,現在我們來讓來試一下:

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“django web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:

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))


添加url路由節點:運行服務

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),
]

運行服務

python manage.py runserver 127.0.0.1:8000

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
}

向服務添加一個交易

挖礦

挖礦正是神奇所在,它很簡單,做了一下三件事:

  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

  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

使用Postman 去和API進行交互

讓我們通過請求 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,通過請求 http://localhost:8000/chain 可以得到所有的塊信息。

{
   "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. /register 接收URL形式的新節點串列

  2. /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):
       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

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中添加兩個路由,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://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節點上訪問接口/resolve ,這時節點8100的鏈會通過共識演算法被節點8000節點的鏈取代。

作者:佈道

源自:

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

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