小编教你用Python语言从零开始创建区块链

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。

环境准备

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

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pip install Flask==0.12.2 requests==2.18.4

同时还需要一个HTTP客户端,比如Postman,cURL或其它客户端。

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

开始创建Blockchain

新建一个文件 blockchain.py,本文所有的代码都写在这一个文件中,可以随时参考源代码

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:

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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:

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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。不理解的话,慢慢消化,可参考区块链记账原理

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

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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。

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:

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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()

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:

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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. 因为:

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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。

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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:

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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: 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:

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{
 \"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

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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,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
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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

你可以使用cURL 或Postman 去和API进行交互

启动server:

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$ 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

\"用Postman请求挖矿\"

通过post请求,添加一个新交易

\"用Postman请求挖矿\"

如果不是使用Postman,则用一下的cURL语句也是一样的:

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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。

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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)

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:

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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)

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

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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 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。

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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:5000 和 http://localhost:5001

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

\"注册新节点\"

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。

\"共识算法解决冲突\"

好啦,你可以邀请朋友们一起来测试你的区块链

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THE END
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