用Python从零开始创建区块链

本文主要内容翻译自Learn Blockchains by Building One

作者认为最快的学习区块链的方式是自己创建一个,本文就跟随作者用Python来创建一个区块链。

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

但是完全搞懂区块链并非易事,我喜欢在实践中学习,通过写代码来学习技术会掌握得更牢固。通过构建一个区块链可以加深对区块链的理解。

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。在开始本文之前,我先简单介绍一下区块链的记账原理。

区块链记账原理

区块链(1.0)是一个基于密码学安全的分布式账本,是一个方便验证,不可篡改的账本。
通常认为与智能合约相结合的区块链为区块链2.0, 如以太坊是典型的区块链2.0
很多人只了解过比特币,不知道区块链,比特币实际是一个使用了区块链技术的应用,只是比特币当前太热,把区块链技术的光芒给掩盖了。区块链才是未来,期望各位开发人员少关心币价,多关心技术。
本文将讲解区块链1.0技术是如何实现的。

哈希函数

在讲区块链记账之前,先说明一下哈希函数。
哈希函数:Hash(原始信息) = 摘要信息
原始信息可以是任意的信息, hash之后会得到一个简短的摘要信息

哈希函数有几个特点:

  • 同样的原始信息用同一个哈希函数总能得到相同的摘要信息
  • 原始信息任何微小的变化都会哈希出面目全非的摘要信息
  • 从摘要信息无法逆向推算出原始信息

举例说明:
Hash(张三借给李四100万,利息1%,1年后还本息 …..) = AC4635D34DEF
账本上记录了AC4635D34DEF这样一条记录。

可以看出哈希函数有4个作用:

  • 简化信息
    很好理解,哈希后的信息变短了。
  • 标识信息
    可以使用AC4635D34DEF来标识原始信息,摘要信息也称为原始信息的id。
  • 隐匿信息
    账本是AC4635D34DEF这样一条记录,原始信息被隐匿。
  • 验证信息
    假如李四在还款时欺骗说,张三只借给李四10万,双方可以用AC4635D34DEF来验证原始信息

哈希函数的这4个作用在区块链技术里有广泛的运用。(哈希函数是一组函数或算法,以后会发文章专门介绍哈希)

区块链记账方法

假设有一个账页序号为0的账页交易记录如下:

屏幕快照 2018-02-27 下午8.53.14.png

记账时间为:2017-10-22 10:22:02

区块链在记账是会把账页信息(包含序号、记账时间、交易记录)作为原始信息进行Hash, 得到一个Hash值,如:787635ACD, 用函数表示为:

Hash(序号0、记账时间、交易记录) = 787635ACD

账页信息和Hash值组合在一起就构成了第一个区块。

比特币系统里约10分钟记一次账,即每个区块生成时间大概间隔10分钟

在记第2个账页的时候,会把上一个块的Hash值和当前的账页信息一起作为原始信息进行Hash,即:

Hash(上一个Hash值、序号1、记账时间、交易记录) = 456635BCD

这样第2个区块不仅包含了本账页信息,还间接的包含了第一个区块的信息。依次按照此方法继续记账,则最新的区块总是间接包含了所有之前的账页信息。

所有这些区块组合起来就形成了区块链,这样的区块链就构成了一个便于验证(只要验证最后一个区块的Hash值就相当于验证了整个账本),不可更改(任何一个交易信息的更改,会让所有之后的区块的Hash值发生变化,这样在验证时就无法通过)的总账本。

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或其它客户端。

开始创建Blockchain

新建一个文件 blockchain.py

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。

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 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()

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 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. 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 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 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: 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 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:

  • 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 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

image.png

通过post请求,添加一个新交易

image.png

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。

我们使用一下的算法,来达到网络中的共识

...
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 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2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,在不同的终端运行一下命令,就启动了两个节点:http://localhost:5000http://localhost:5001

pipenv run python blockchain.py
pipenv run python blockchain.py -p 5001
image.png

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。

image.png

好啦,你可以邀请朋友们一起来测试你的区块链

©著作权归作者所有,转载或内容合作请联系作者
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