扣丁学堂区块链培训简述用Django实现一个可运行的区块链应用

对数字货币的崛起感到新奇的咱们，必定想知道其背后的技术——区块链是怎样实现的。本篇文章扣丁学堂区块链培训小编给读者们分享一下用Django实现一个可运行的区块链应用，感兴趣的小伙伴就随小编来了解一下吧。

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。

环境准备

环境准备，确保已经安装Python3.5, pip , django, requests，urllib，json，hashlib

安装方法：

pip install django requests

同时还须要一个HTTP客户端，好比Postman，cURL或其它客户端，本文以Postman为例。

开始建立Blockchain

经过django-admin startproject block建立一个block的项目，在项目中建立一个demo项目django-admin startproject demo。

Blockchain类

在views中建立一个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：

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：

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

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：

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()

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：

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。

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 django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，如今咱们来让来试一下：

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“django web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：

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路由节点：运行服务

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),

]

运行服务

python manage.py runserver 127.0.0.1:8000

发送交易

发送到节点的交易数据，结构以下：

{

"sender": "my address",

"recipient": "someone else's address",

"amount": 5

}

向服务添加一个交易

挖矿

挖矿正是神奇所在，它很简单，作了一下三件事：

计算工做量证实PoW

经过新增一个交易授予矿工（本身）一个币

构造新区块并将其添加到链中

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"

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

在挖了两次矿以后，就有3个块了

{ "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：

/register 接收URL形式的新节点列表

/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：

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)

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

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

在url中添加两个路由，一个用来注册节点，一个用来解决冲突。

from demo import views

urlpatterns = [

url(r'^register', views.register_nodes),

url(r'^resolve', views.consensus),

]

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。

而后在节点8100节点上挖两个块，确保是更长的链，而后在节点8000节点上访问接口/resolve ,这时节点8100的链会经过共识算法被节点8000节点的链取代。

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