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教你使用Python从零开始搭建一个区块链项目

2019-12-04

教你使用Python从零开始搭建一个区块链项目

作者 | Daniel van Flymen

来源 | Python学习开发

你是否会和我一样,对加密数字货币底层的区块链技术非常感兴趣,特别想了解他们的运行机制。

但是学习区块链技术并非一帆风顺,我看多了大量的视频教程还有各种课程,最终的感觉就是真正可用的实战课程太少。

我喜欢在实践中学习,尤其喜欢以代码为基础去了解整个工作机制。如果你我一样喜欢这种学习方式,当你学完本教程时,你将会知道区块链技术是如何工作的。

写在开始之前

记住,区块链是一个 不可变的、有序的 被称为块的记录链。它们可以包含交易、文件或任何您喜欢的数据。但重要的是,他们用哈希 一起被链接在一起。

如果你不熟悉哈希,这里是一个解释.

该指南的目的是什么? 你可以舒服地阅读和编写基础的 Python,因为我们将通过 HTTP 与区块链进行讨论,所以你也要了解 HTTP 的工作原理。

我需要准备什么? 确定安装了 Python 3.6+ (还有 pip) ,你还需要安装 Flask、 Requests 库:

`pip install Flask==0.12.2 requests==2.18.4`

对了,你还需要一个支持 HTTP 的客户端,比如 Postman 或者 cURL,其他也可以。

教你使用Python从零开始搭建一个区块链项目

Step 1: 创建一个区块链

打开你最喜欢的文本编辑器或者 IDE, 我个人比较喜欢 PyCharm. 新建一个名为 blockchain.py 的文件。我们将只用这一个文件就可以。但是如果你还是不太清楚,你也可以参考 源码.

描述区块链

我们要创建一个 Blockchain 类 ,他的构造函数创建了一个初始化的空列表(要存储我们的区块链),并且另一个存储交易。下面是我们这个类的实例:

blockchain.py

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 类负责管理链式数据,它会存储交易并且还有添加新的区块到链式数据的 Method。让我们开始扩充更多 Method

块是什么样的?

每个块都有一个 索引,一个 时间戳(Unix时间戳),一个事务列表, 一个 校验 (稍后详述) 和 前一个块的散列 。

下面是一个 Block 的例子 :

blockchain.py

block = {
 'index': 1,
 'timestamp': 1506057125.900785,
 'transactions': [
 {
 'sender': "8527147fe1f5426f9dd545de4b27ee00",
 'recipient': "a77f5cdfa2934df3954a5c7c7da5df1f",
 'amount': 5,
 }
 ],
 'proof': 324984774000,
 'previous_hash': "2cf24dba5fb0a30e26e83b2ac5b9e29e1b161e5c1fa7425e73043362938b9824"
}

在这一点上,一个 区块链 的概念应该是明显的 - 每个新块都包含在其内的前一个块的 散列 。这是至关重要的,因为这是 区块链 不可改变的原因:如果攻击者损坏 区块链 中较早的块,则所有后续块将包含不正确的哈希值。

这有道理吗?如果你还没有想通,花点时间仔细思考一下 - 这是区块链背后的核心理念

添加交易到区块

我们将需要一个添加交易到区块的方式。我们的 new_transaction() 方法的责任就是这个, 并且它非常的简单:

blockchain.py

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() 方法添加了交易到列表,它返回了交易将被添加到的区块的索引 --- 讲开采下一个这对稍后对提交交易的用户有用。

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创建新的区块

当我们的 Blockchain 被实例化后,我们需要将 创世 区块(一个没有前导区块的区块)添加进去进去。我们还需要向我们的起源块添加一个 证明,这是挖矿的结果 (或工作证明)。我们稍后会详细讨论挖矿。

除了在构造函数中创建 创世 区块外,我们还会补全 new_block() 、 new_transaction() 和 hash() 函数:

blockchain.py

import hashlib
import json
from time import time
class Blockchain(object):
 def __init__(self):
 self.current_transactions = []
 self.chain = []
 # 创建创世区块
 self.new_block(previous_hash=1, proof=100)
 def new_block(self, proof, previous_hash=None):
 """
 创建一个新的区块到区块链中
 :param proof: <int> 由工作证明算法生成的证明
 :param previous_hash: (Optional) <str> 前一个区块的 hash 值
 :return: <dict> 新区块
 """
 block = {
 'index': len(self.chain) + 1,
 'timestamp': time(),
 'transactions': self.current_transactions,
 'proof': proof,
 'previous_hash': previous_hash or self.hash(self.chain[-1]),
 }
 # 重置当前交易记录
 self.current_transactions = []
 self.chain.append(block)
 return block
 def new_transaction(self, sender, recipient, amount):
 """
 创建一笔新的交易到下一个被挖掘的区块中
 :param sender: <str> 发送人的地址
 :param recipient: <str> 接收人的地址
 :param amount: <int> 金额
 :return: <int> 持有本次交易的区块索引
 """
 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):
 """
 给一个区块生成 SHA-256 值
 :param block: <dict> Block
 :return: <str>
 """
 # 我们必须确保这个字典(区块)是经过排序的,否则我们将会得到不一致的散列
 block_string = json.dumps(block, sort_keys=True).encode()
 return hashlib.sha256(block_string).hexdigest()

上面的代码应该是直白的 --- 为了让代码清晰,我添加了一些注释和文档说明。我们差不多完成了我们的区块链。但在这个时候你一定很疑惑新的块是怎么被创建、锻造或挖掘的。

工作量证明算法

使用工作量证明(PoW)算法,来证明是如何在区块链上创建或挖掘新的区块。PoW 的目标是计算出一个符合特定条件的数字,这个数字对于所有人而言必须在计算上非常困难,但易于验证。这是工作证明背后的核心思想。

我们将看到一个简单的例子帮助你理解:

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 x = 5,求 y ?用 Python 实现:

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}')

结果是:y = 21。因为,生成的 Hash 值结尾必须为 0。

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

在比特币中,工作量证明算法被称为 Hashcash ,它和上面的问题很相似,只不过计算难度非常大。这就是矿工们为了争夺创建区块的权利而争相计算的问题。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,就会获得一定数量的比特币奖励(通过交易)。

验证结果,当然非常容易。

实现工作量证明

让我们来实现一个相似 PoW 算法。规则类似上面的例子:

找到一个数字 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。

blockchain.py

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"

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。

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Step 2: 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:

blockchain.py

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(实例化我们的节点)
app = Flask(__name__)
# Generate a globally unique address for this node(为这个节点生成一个全球唯一的地址)
node_identifier = str(uuid4()).replace('-', '')
# Instantiate the Blockchain(实例化 Blockchain类)
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:实例化节点。阅读更多关于 Flask 内容。
  • 第 18 行:为节点创建一个随机的名称。.
  • 第 21 行:实例化 Blockchain 类。
  • 第 24--26 行:创建 /mine 接口,GET 方式请求。
  • 第 28--30 行:创建 /transactions/new 接口,POST 方式请求,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:服务器运行端口 5000 。

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
}

因为我们已经有了添加交易的方法,所以基于接口来添加交易就很简单了。让我们为添加事务写函数:

blockchain.py

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
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挖矿

挖矿正是神奇所在,它很简单,做了一下三件事:

  1. 计算工作量证明 PoW
  2. 通过新增一个交易授予矿工(自己)一个币
  3. 构造新区块并将其添加到链中

blockchain.py

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

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.

Step 3: 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
* Running on http://127.0.0.1:5000/ (Press CTRL+C to quit)

让我们通过请求 http://localhost:5000/mine ( GET )来进行挖矿:

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用 Postman 发起一个 GET 请求.

创建一个交易请求,请求 http://localhost:5000/transactions/new (POST), 如图

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如果不是使用 Postman,则用一下的 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
}

Step 4: 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:

  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.

我们修改下 Blockchain 的 init 函数并提供一个注册节点方法:

blockchain.py

...
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.

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实现共识算法

就像先前讲的那样,当一个节点与另一个节点有不同的链时,就会产生冲突。为了解决这个问题,我们将制定最长的有效链条是最权威的规则。换句话说就是:在这个网络里最长的链就是最权威的。我们将使用这个算法,在网络中的节点之间达成共识。

blockchain.py

...
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

第一个方法 valid_chain() 负责检查一个链是否有效,方法是遍历每个块并验证散列和证明。

resolve_conflicts() 是一个遍历我们所有邻居节点的方法,下载它们的链并使用上面的方法验证它们。如果找到一个长度大于我们的有效链条,我们就取代我们的链条。

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

blockchain.py

@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

在这一点上,如果你喜欢,你可以使用一台不同的机器,并在你的网络上启动不同的节点。或者使用同一台机器上的不同端口启动进程。我在我的机器上,不同的端口上创建了另一个节点,并将其注册到当前节点。因此,我有两个节点:http://localhost:5000 和 http://localhost:5001。注册一个新节点:

教你使用Python从零开始搭建一个区块链项目

然后我在节点 2 上挖掘了一些新的块,以确保链条更长。之后,我在节点 1 上调用 GET /nodes/resolve,其中链由一致性算法取代:

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这是一个包,去找一些朋友一起,以帮助测试你的区块链。

我希望本文能激励你创造更多新东西。我之所以对数字货币入迷,是因为我相信区块链会很快改变我们看待事物的方式,包括经济、政府、档案管理等。

完 谢谢观看

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