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用python搭建属于自己的区块链,了解区块链技术的工作原理

  • 发布:Charlie_Jade
  • 来源:segmentfault
  • 时间:2018-05-08 14:23

python、区块链、人工智能等,在近一两年内炒的比较火热,对于python、人工智能,相比来说比较容易理解,但是对于什么是区块链、区块链技术的工作原理、怎样搭建属于自己的区块链可能不是很了解,今天我们就来解决你的这些疑问。

什么是区块链?

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。

本指南的目的是什么?

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。

你需要准备什么?

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。

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。.

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

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"

}

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

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

()

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}'

)

结果是: y = 21。因为,生成的 Hash 值结尾必须为 0。

hash

(

5

*

21

)

=

1253e9373e

...

5e3600155e860

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: <int> Current 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"

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

)

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

}

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

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

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)

让我们通过请求 http://localhost:5000/mine ( GET )来进行挖矿:

用python搭建属于自己的区块链,了解区块链技术的工作原理

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

用python搭建属于自己的区块链,了解区块链技术的工作原理

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

}

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

)

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

(

"-----------"

)

# 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

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

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:

用python搭建属于自己的区块链,了解区块链技术的工作原理

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:

用python搭建属于自己的区块链,了解区块链技术的工作原理

这是一个包,去找一些朋友一起,以帮助测试你的区块链。

恭喜你阅读完了本文,相信你已经知道了什么是区块链、也知道了区块链的工作原理是什么、并且python搭建了属于自己的区块链,同样的希望在我的抛砖引玉下,可以激励你创造更多新的东西,也许未来的某一天,区块链技术将改变我们看待事物的方式,如果你还有更多关于区块链的问题或者你想通过python培训进入到区块链这一领域,欢迎你来达内python培训班-机构进行咨询。

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