用Python从零开始建立区块链

本文主要内容翻译自Learn Blockchains by Building One
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做者认为最快的学习区块链的方式是本身建立一个，本文就跟随做者用Python来建立一个区块链。

对数字货币的崛起感到新奇的咱们，而且想知道其背后的技术——区块链是怎样实现的。

可是彻底搞懂区块链并不是易事，我喜欢在实践中学习，经过写代码来学习技术会掌握得更牢固。经过构建一个区块链能够加深对区块链的理解。

准备工做

本文要求读者对Python有基本的理解，能读写基本的Python，而且须要对HTTP请求有基本的了解。

咱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，记录能够是交易、文件或任何你想要的数据，重要的是它们是经过哈希值（hashes）连接起来的。

若是你还不是很了解哈希，能够查看这篇文章

环境准备

环境准备，确保已经安装Python3.6+, pip , Flask, requests
安装方法：

1	pip install Flask==0.12.2 requests==2.18.4

 

同时还须要一个HTTP客户端，好比Postman，cURL或其它客户端。

参考源代码（原代码在我翻译的时候，没法运行，我fork了一份，修复了其中的错误，并添加了翻译，感谢star）

开始建立Blockchain

新建一个文件 blockchain.py，本文全部的代码都写在这一个文件中，能够随时参考源代码

Blockchain类

首先建立一个Blockchain类，在构造函数中建立了两个列表，一个用于储存区块链，一个用于储存交易。

如下是Blockchain类的框架：

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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，下面咱们来进一步完善这些方法。

块结构

每一个区块包含属性：索引（index），Unix时间戳（timestamp），交易列表（transactions），工做量证实（稍后解释）以及前一个区块的Hash值。

如下是一个区块的结构：

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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，每一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。若是攻击者破坏了前面的某个区块，那么后面全部区块的Hash都会变得不正确。不理解的话，慢慢消化，可参考区块链记帐原理

加入交易

接下来咱们须要添加一个交易，来完善下new_transaction方法

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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。

建立新块

当Blockchain实例化后，咱们须要构造一个创世块（没有前区块的第一个区块），而且给它加上一个工做量证实。
每一个区块都须要通过工做量证实，俗称挖矿，稍后会继续讲解。

为了构造创世块，咱们还须要完善new_block(), new_transaction() 和hash() 方法：

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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()

经过上面的代码和注释能够对区块链有直观的了解，接下来咱们看看区块是怎么挖出来的。

理解工做量证实

新的区块依赖工做量证实算法（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。这就是工做量证实的核心思想。

为了方便理解，举个例子：

假设一个整数 x 乘以另外一个整数 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实现以下：

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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}')

结果是y=21. 由于：

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

 

在比特币中，使用称为Hashcash的工做量证实算法，它和上面的问题很相似。矿工们为了争夺建立区块的权利而争相计算结果。一般，计算难度与目标字符串须要知足的特定字符的数量成正比，矿工算出结果后，会得到比特币奖励。
固然，在网络上很是容易验证这个结果。

实现工做量证实

让咱们来实现一个类似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。

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import hashlib import json from time import time from uuid import uuid4 class Blockchain(object): ... def proof_of_work(self, last_proof): """ 简单的工做量证实: - 查找一个 p' 使得 hash(pp') 以4个0开头 - p 是上一个块的证实, p' 是当前的证实 :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): """ 验证证实: 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长计算出结果所需的时间。

如今Blockchain类基本已经完成了，接下来使用HTTP requests来进行交互。

Blockchain做为API接口

咱们将使用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，如今咱们来让Blockchain运行在基于Flask web上。

咱们将建立三个接口：

• /transactions/new 建立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

建立节点

咱们的“Flask服务器”将扮演区块链网络中的一个节点。咱们先添加一些框架代码：

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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: 建立一个节点.
第18行: 为节点建立一个随机的名字.
第21行: 实例Blockchain类.
第24–26行: 建立/mine GET接口。
第28–30行: 建立/transactions/new POST接口,能够给接口发送交易数据.
第32–38行: 建立 /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以下：

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

 

以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

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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，作了一下三件事：

1. 计算工做量证实PoW
2. 经过新增一个交易授予矿工（本身）一个币
3. 构造新区块并将其添加到链中

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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) # 给工做量证实的节点提供奖励. # 发送者为 "0" 代表是新挖出的币 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咱们本身的服务器节点，咱们作的大部分工做都只是围绕Blockchain类方法进行交互。到此，咱们的区块链就算完成了，咱们来实际运行下

运行区块链

你可使用cURL 或Postman 去和API进行交互

启动server:

1 2	$ python blockchain.py * Runing on http://127.0.0.1:5000/ (Press CTRL+C to quit)

 

让咱们经过请求 http://localhost:5000/mine 来进行挖矿

经过post请求，添加一个新交易

若是不是使用Postman，则用一下的cURL语句也是同样的：

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

 

在挖了两次矿以后，就有3个块了，经过请求 http://localhost:5000/chain 能够获得全部的块信息。

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{ "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）

咱们已经有了一个基本的区块链能够接受交易和挖矿。可是区块链系统应该是分布式的。既然是分布式的，那么咱们究竟拿什么保证全部节点有一样的链呢？这就是一致性问题，咱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

在实现一致性算法以前，咱们须要找到一种方式让一个节点知道它相邻的节点。每一个节点都须要保存一份包含网络中其它节点的记录。所以让咱们新增几个接口：

1. /nodes/register 接收URL形式的新节点列表
2. /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

咱们修改下Blockchain的init函数并提供一个注册节点方法：

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... 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)

 

咱们用 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，冲突是指不一样的节点拥有不一样的链，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。

咱们使用一下的算法，来达到网络中的共识

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... 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("\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 若是链被取代, 不然为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() 用来检查是不是有效链，遍历每一个块验证hash和proof.

第2个方法 resolve_conflicts() 用来解决冲突，遍历全部的邻居节点，并用上一个方法检查链的有效性， 若是发现有效更长链，就替换掉本身的链 

让咱们添加两个路由，一个用来注册节点，一个用来解决冲突。

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@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

 

你能够在不一样的机器运行节点，或在一台机机开启不一样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一样的端口演示，在不一样的终端运行一下命令，就启动了两个节点：http://localhost:5000 和 http://localhost:5001

1 2	pipenv run python blockchain.py pipenv run python blockchain.py -p 5001

而后在节点2上挖两个块，确保是更长的链，而后在节点1上访问接口/nodes/resolve ,这时节点1的链会经过共识算法被节点2的链取代。

好啦，你能够邀请朋友们一块儿来测试你的区块链

 

本文转自：https://learnblockchain.cn/2017/10/27/build_blockchain_by_python/