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如何用 Python 从 0 开始创建一个区块链?

关键词:区块链、python、

正文如下:

在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

来自:区块链大本营

先看看什么去区块链?

假如你是一位女生,在某个晚上,你男票跟你说了一句:”我爱你一生一世”; 然后,你把这句话发给了你的闺蜜、爸妈、朋友圈、公众号、微信群等,你男票再也无法抵赖,你打赏点小费感谢他们给你记住并作证,这个小费就是token。 你、你男票、”我爱你一生一世”这句话、说这句话的时间地点等信息,打包起来形成一个结构化的信息包,这个信息包就叫”区块”。 而你的闺蜜、爸妈、朋友圈、公众号、微信群等节点就是链。 最后你男票如果不承认说过这句话,当了负心汉;你翻出这个账本对质,把他臭骂一顿,这就是区块链应用。 还有啊,你男票这个节点会永远被踢出网络,如果你对朋友圈足够大,这个男的可能永远找不到女朋友了。 在这个例子中好像区块链解决了人与人之间的信任问题。但其实只是个假象。 N年后,男朋友对她的爱依然可能消失,海誓山盟并没有被背书。至于,分手后对男方造成影响,更是不道德的,这分明就是一种网络暴力。 爱或者不爱,都是你们两个的事,与区块链无关。

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:

pip install Flask==0.12.2 requests==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:

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:

class Blockchain(object):  ...  def new_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,    })    return self.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:

import hashlibimport jsonfrom time import timeclass 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 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,    })    return self.last_block['index'] + 1  @property  def last_block(self):    return self.chain[-1]  @staticmethod  def hash(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()    return hashlib.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:

from hashlib import sha256x = 5y = 0 # y未知while sha256(f'{x*y}'.encode()).hexdigest()[-1] != "0":  y += 1print(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。

import hashlibimport jsonfrom time import timefrom uuid import uuid4class Blockchain(object):  ...  def proof_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    while self.valid_proof(last_proof, proof) is False:      proof += 1    return proof  @staticmethod  def valid_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()    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。

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:

import hashlibimport jsonfrom textwrap import dedentfrom time import timefrom uuid import uuid4from flask import Flaskclass Blockchain(object):  ...# Instantiate our Nodeapp = Flask(__name__)# Generate a globally unique address for this nodenode_identifier = str(uuid4()).replace('-', '')# Instantiate the Blockchainblockchain = 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), 200if __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}

之前已经有添加交易的方法,基于接口来添加交易就很简单了:

import hashlibimport jsonfrom textwrap import dedentfrom time import timefrom uuid import uuid4from 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,做了以下三件事:

  • 计算工作量证明PoW;

  • 通过新增一个交易授予矿工(自己)一个币;

  • 构造新区块并将其添加到链中。

import hashlibimport jsonfrom textwrap import dedentfrom time import timefrom uuid import uuid4from flask import Flask, jsonify, request...import hashlibimport jsonfrom time import timefrom uuid import uuid4from 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)  # 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'],  }  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。

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 on http://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:

通过post请求,添加一个新交易:

如何用 Python 从 0 开始创建一个区块链?

如果不是使用Postman,则用以下的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:

  • /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:

...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

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。

我们使用以下的算法,来达到网络中的共识:

...import requestsclass 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("n-----------n")      # 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    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() 用来检查是否是有效链,遍历每个块验证hash和proof。

第二个方法 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'])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,在不同的终端运行以下命令,就启动了两个节点:http://localhost:5000 和 http://localhost:5001。

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

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。

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/JavaScript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。

END.

本文原始链接https://learnblockchain.cn/2017/10/27/build_blockchain_by_python/

原文始发于微信公众号(PPV课数据科学社区):如何用 Python 从 0 开始创建一个区块链?

原创文章,作者:ppvke,如若转载,请注明出处:http://www.ppvke.com/archives/7026

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