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。
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。
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。
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:
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:
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
挖矿
挖矿正是神奇所在,它很简单,做了一下三件事:
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:
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
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 }
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:
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.
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:
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:
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。
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