通过python构建一个区块链来学习区块链

了解区块链Blockchains如何工作的最快方法就是构建一个区块链。你来到这里是因为,和我一样,你对加密钱币的崛起感到很兴奋。而且你想知道区块链是如何工作的,想了解它们背后的基本技术。

但理解区块链并不容易,或者至少不适合我。我在密集的视频中跋涉,接着是千疮百孔的教程,并且处理了极少数放大挫折的例子。

我喜欢边做边学。它迫使我在代码级别处理主题,这使得它坚持下去。如果你这样做,在本指南的最后,你将拥有一个功能正常的区块链,可以牢牢掌握它们的工作原理。

在你开始之前……

请记住,区块链是一个名为Blocks的不可变的连续记录链。它们可以包含你喜欢的交易,文件或任何数据。但重要的是他们用哈希链接在一起。

如果你不确定哈希是什么,这里有一个解释

本指南的目标是谁?你应该舒服地阅读和能编写一些基本的Python,并且对HTTP请求的工作方式有一些了解,因为我们将通过HTTP与我们的区块链交互。

我需要什么?确保安装了Python 3.6 +(以及pip)。你还需要安装Flask和精彩的Requests库:

1
pip install Flask==0.12.2 requests==2.18.4

哦,你还需要一个HTTP客户端,比如Postman或cURL。任何一个都可以。

最终的代码在哪里?源代码可在此处获得。

第1步:构建区块链

打开你最喜欢的文本编辑器或IDE,我个人PyCharm。创建一个名为blockchain.py的新文件。我们只会使用一个文件,但是如果你迷路了,你总是可以参考源代码。

代表区块链

我们将创建一个Blockchain类,其构造函数创建一个初始的空列表(用于存储我们的Blockchain链),另一个用于存储交易。这是我们Class的蓝图:

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
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。它将存储交易并具有一些辅助方法,用于向链中添加新块。让我们开始充实一些方法。

Block看起来像什么?

每个块都有一个索引,一个时间戳(在Unix时间内),一个交易列表 ,一个证明(后面会有更多内容),以及前一个块的哈希值。

以下是单个Block的示例:

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
block = {
'index': 1,
'timestamp': 1506057125.900785,
'transactions': [
{
'sender': "8527147fe1f5426f9dd545de4b27ee00",
'recipient': "a77f5cdfa2934df3954a5c7c7da5df1f",
'amount': 5,
}
],
'proof': 324984774000,
'previous_hash': "2cf24dba5fb0a30e26e83b2ac5b9e29e1b161e5c1fa7425e73043362938b9824"
}

在这一点上,链的概念应该是显而易见的,每个新块本身包含前一个块的hash。这是至关重要的,因为它是区块链不可变性的原因:如果攻击者破坏链中的早期块,则所有后续块将包含不正确的哈希值。

这有意义吗?如果没有,花一些时间了解,它是区块链背后的核心理念。

将交易添加到块

我们需要一种向块添加交易的方法。我们的new_transaction()方法对此负责,而且非常简单:

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
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()向列表添加交易之后,它返回交易将被添加到下一个要被挖掘的块的索引。这将对以后提交交易的用户有用。

创建新块

当我们的Blockchain被实例化时,我们需要用一个创世块,一个没有前任的区块来种子化它。我们还需要在我们的创世块中添加一个证明proof,这是挖掘(或工作量证明)的结果。我们稍后会详细谈论挖掘。

除了在构造函数中创建genesis块之外,我们还将new_block()new_transaction()hash()

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
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):
"""
Create a new Block in the Blockchain
: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):
"""
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

@property
def last_block(self):
return self.chain[-1]

@staticmethod
def hash(block):
"""
Creates a SHA-256 hash of a Block
: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()

以上内容应该是直截了当的,我已经添加了一些注释和文档字符串以帮助保持清晰。我们几乎完成了代表我们的区块链。但在这一点上,你必须想知道如何创建,伪造或挖掘新块。

理解工作量证明

工作量证明算法(PoW)是在区块链上创建或挖掘新块的方式。PoW的目标是发现一个解决问题的数字。这个数字必须很难找到,但很容易通过网络上的任何人进行核算——计算。这是工作证明背后的核心理念。

我们将看一个非常简单的例子来帮助这个陷入困境。

让我们决定某个整数x的hash乘以另一个y必须以0结尾。所以,hash(x * y) = ac23dc...0。对于这个简化的例子,让我们修复x = 5。在Python中实现这个:

1
2
3
4
5
6
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}')

这里的解决方案是y = 21。因为,生成的hash以0结尾:

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

在比特币中,工作证明算法称为Hashcash。它与我们上面的基本示例没有什么不同。这是矿工为了创造一个新的块而竞争解决的算法。通常,难度取决于字符串中搜索的字符数。 然后矿工通过接收硬币进行交易而获得奖励。

网络能够轻松验证其解决方案。

实施基本的工作量证明

让我们为区块链实现类似的算法。我们的规则与上面的例子类似:

找到一个数字p,当使用前一个块的解决方案进行hash时,会生成 一个带有4个前导0hash

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
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"

为了调整算法的难度,我们可以修改前导零的数量。但是4就足够了。你会发现,添加一个前导零会使找到解决方案所需的时间产生巨大差异。

我们的类几乎完成了,我们准备开始使用HTTP请求与它进行交互。

第2步:我们的区块链作为API

我们将使用Python Flask Framework。它是一个微框架,可以很容易地将端点映射到Python函数。这允许我们使用HTTP请求通过Web与我们的区块链交互。

我们将创建三种方法:

  • /transactions/new为块创建新交易。
  • /mine告诉我们的服务器挖掘一个新块。
  • /chain返回完整的区块链。

设置flask

我们的“服务器”将在我们的区块链网络中形成一个单一节点。让我们创建一些样板代码:

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
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)

我们上面添加的内容的简要说明:

  • 第15行:实例化我们的节点。在这里阅读更多关于Flask的信息。
  • 第18行:为我们的节点创建一个随机名称。
  • 第21行:实例化我们的Blockchain类。
  • 第24-26行:创建/mine,这是一个GET请求。
  • 第28-30行:创建/transactions/new,这是一个POST请求,因为我们将向其发送数据。
  • 第32-38行:创建/chain,返回完整的区块链。
  • 第40-41行:在端口5000上运行服务器。

交易

这就是交易请求的样子。这是用户发送到服务器的内容:

1
2
3
4
5
{
"sender": "my address",
"recipient": "someone else's address",
"amount": 5
}

由于我们已经有了用于向块添加交易的类方法,因此其余方法很简单。让我们编写添加交易的函数:

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
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

采矿

我们的挖掘终点是魔术发生的地方,而且很容易。它必须做三件事:

  • 计算工作量证明。
  • 通过添加授予我们1个硬币的交易来奖励矿工(我们)。
  • 通过将新块添加到链中来构造新块。
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
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

请注意,挖掘块的接收者是我们节点的地址。我们在这里所做的大部分工作都只是与Blockchain类的方法进行交互。此时,我们已经完成了,并且可以开始与我们的区块链进行交互。

第3步:与我们的区块链交互

你可以使用普通的旧cURL或Postman通过网络与我们的API进行交互。

启动服务器:

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

让我们通过向http://localhost:5000/mine发出GET请求来尝试挖掘一个块:

使用Postman发出GET请求

让我们通过向http://localhost:5000/transactions/new发出POST请求来创建一个新交易,其中包含我们的交易结构的主体:

使用Postman发出POST请求

如果你不使用Postman,那么你可以使用cURL进行等效请求:

1
2
3
4
5
$ curl -X POST -H "Content-Type: application/json" -d '{
"sender": "d4ee26eee15148ee92c6cd394edd974e",
"recipient": "someone-other-address",
"amount": 5
}' "http://localhost:5000/transactions/new"

我重新启动了我的服务器,并开采了两个区块,共计3个。让我们通过请求检查整个http://localhost:5000/chain

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
{
"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
}

第4步:达成共识

这很酷。我们有一个基本的区块链接受交易并允许我们挖掘新的区块。但区块链的重点在于它们应该是去中心化的。如果它们是去中心化的,我们究竟如何确保它们都反映出同一条链?这被称为共识问题,如果我们想在网络中使用多个节点,我们必须实施共识算法。

注册新节点

在我们实现共识算法之前,我们需要一种方法让节点了解网络上的相邻节点。我们网络上的每个节点都应该保留网络上其他节点的注册表。因此,我们需要更多的端点:

  • /nodes/register接受URL形式的新节点列表。
  • /nodes/resolve实现我们的共识算法,它解决任何冲突 - 以确保节点具有正确的链。

我们需要修改Blockchain的构造函数并提供注册节点的方法,一种向网络添加相邻节点的方法:

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
...
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)

请注意,我们使用set()来保存节点列表。这是一种确保添加新节点是幂等的廉价方法,这意味着无论我们添加特定节点多少次,它都只出现一次。

实施共识算法

如上所述,冲突是指一个节点与另一个节点具有不同的链。要解决此问题,我们将制定最长有效链具有权威性的规则。换句话说,网络上最长的链是事实上的链。使用此算法,我们在网络中的节点之间达成共识。

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
...
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):
"""
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

第一种方法valid_chain()负责通过循环遍历每个块并验证hash和证明来检查链是否有效。

resolve_conflicts()是一种循环遍历所有相邻节点,下载其链并使用上述方法验证它们的方法。如果找到一个有效链,其长度大于我们的,我们将替换我们的。

让我们将两个端点注册到我们的API,一个用于添加相邻节点,另一个用于解决冲突:

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
@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

此时,你可以根据需要获取不同的计算机,并在网络上启动不同的节点。或者在同一台机器上使用不同的端口启动进程。我在我的机器上,在另一个端口上旋转另一个节点,并将其注册到我当前的节点。因此,我有两个节点:http://localhost:5000http://localhost:5001

注册新节点

然后我在节点2上挖掘了一些新块,以确保链更长。之后,我在节点1上调用了GET/nodes/resolve,其中链被共识算法取代:

工作中的共识算法

这是一个warp……去找一些朋友一起帮助测试你的区块链。

我希望这能激发你创造新事物。我对Cryptocurrencies感到欣喜若狂,因为我相信Blockchains会迅速改变我们对经济,政府和记录保存的看法。

======================================================================

分享一些以太坊、EOS、比特币等区块链相关的交互式在线编程实战教程:

  • EOS教程,本课程帮助你快速入门EOS区块链去中心化应用的开发,内容涵盖EOS工具链、账户与钱包、发行代币、智能合约开发与部署、使用代码与智能合约交互等核心知识点,最后综合运用各知识点完成一个便签DApp的开发。
  • java以太坊开发教程,主要是针对java和android程序员进行区块链以太坊开发的web3j详解。
  • python以太坊,主要是针对python工程师使用web3.py进行区块链以太坊开发的详解。
  • php以太坊,主要是介绍使用php进行智能合约开发交互,进行账号创建、交易、转账、代币开发以及过滤器和交易等内容。
  • 以太坊入门教程,主要介绍智能合约与dapp应用开发,适合入门。
  • 以太坊开发进阶教程,主要是介绍使用node.js、mongodb、区块链、ipfs实现去中心化电商DApp实战,适合进阶。
  • C#以太坊,主要讲解如何使用C#开发基于.Net的以太坊应用,包括账户管理、状态与交易、智能合约开发与交互、过滤器和交易等。
  • java比特币开发教程,本课程面向初学者,内容即涵盖比特币的核心概念,例如区块链存储、去中心化共识机制、密钥与脚本、交易与UTXO等,同时也详细讲解如何在Java代码中集成比特币支持功能,例如创建地址、管理钱包、构造裸交易等,是Java工程师不可多得的比特币开发学习课程。
  • php比特币开发教程,本课程面向初学者,内容即涵盖比特币的核心概念,例如区块链存储、去中心化共识机制、密钥与脚本、交易与UTXO等,同时也详细讲解如何在Php代码中集成比特币支持功能,例如创建地址、管理钱包、构造裸交易等,是Php工程师不可多得的比特币开发学习课程。
  • tendermint区块链开发详解,本课程适合希望使用tendermint进行区块链开发的工程师,课程内容即包括tendermint应用开发模型中的核心概念,例如ABCI接口、默克尔树、多版本状态库等,也包括代币发行等丰富的实操代码,是go语言工程师快速入门区块链开发的最佳选择。

汇智网原创翻译,转载请标明出处。这里是原文通过python构建一个区块链来学习区块链