使用Python怎么編寫一個區(qū)塊鏈

這篇文章將為大家詳細講解有關使用Python怎么編寫一個區(qū)塊鏈，文章內(nèi)容質(zhì)量較高，因此小編分享給大家做個參考，希望大家閱讀完這篇文章后對相關知識有一定的了解。

環(huán)境準備

環(huán)境準備，確保已經(jīng)安裝Python3.6+, pip , Flask, requests

安裝方法：

pip install Flask==0.12.2 requests==2.18.4

同時還需要一個HTTP客戶端，比如Postman，cURL或其它客戶端。

參考源代碼（原代碼在我翻譯的時候，無法運行，我fork了一份，修復了其中的錯誤，并添加了翻譯，感謝star）

開始創(chuàng)建Blockchain

新建一個文件 blockchain.py，本文所有的代碼都寫在這一個文件中，可以隨時參考源代碼

Blockchain類

首先創(chuàng)建一個Blockchain類，在構(gòu)造函數(shù)中創(chuàng)建了兩個列表，一個用于儲存區(qū)塊鏈，一個用于儲存交易。

以下是Blockchain類的框架：

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類用來管理鏈條，它能存儲交易，加入新塊等，下面我們來進一步完善這些方法。

塊結(jié)構(gòu)

每個區(qū)塊包含屬性：索引（index），Unix時間戳（timestamp），交易列表（transactions），工作量證明（稍后解釋）以及前一個區(qū)塊的Hash值。

以下是一個區(qū)塊的結(jié)構(gòu)：

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

到這里，區(qū)塊鏈的概念就清楚了，每個新的區(qū)塊都包含上一個區(qū)塊的Hash，這是關鍵的一點，它保障了區(qū)塊鏈不可變性。如果攻擊者破壞了前面的某個區(qū)塊，那么后面所有區(qū)塊的Hash都會變得不正確。不理解的話，慢慢消化，可參考{% post_link whatbc 區(qū)塊鏈技術(shù)原理 %}

加入交易

接下來我們需要添加一個交易，來完善下new_transaction方法

class Blockchain(object):
 ...
 
 def new_transaction(self, sender, recipient, amount):
  """
  生成新交易信息，信息將加入到下一個待挖的區(qū)塊中
  :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個交易記錄，并返回該記錄將被添加到的區(qū)塊(下一個待挖掘的區(qū)塊)的索引，等下在用戶提交交易時會有用。

創(chuàng)建新塊

當Blockchain實例化后，我們需要構(gòu)造一個創(chuàng)世塊（沒有前區(qū)塊的第一個區(qū)塊），并且給它加上一個工作量證明。

每個區(qū)塊都需要經(jīng)過工作量證明，俗稱挖礦，稍后會繼續(xù)講解。

為了構(gòu)造創(chuàng)世塊，我們還需要完善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):
  """
  生成新塊
  :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，信息將加入到下一個待挖的區(qū)塊中
  :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):
  """
  生成塊的 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()

通過上面的代碼和注釋可以對區(qū)塊鏈有直觀的了解，接下來我們看看區(qū)塊是怎么挖出來的。

理解工作量證明

新的區(qū)塊依賴工作量證明算法（PoW）來構(gòu)造。PoW的目標是找出一個符合特定條件的數(shù)字，這個數(shù)字很難計算出來，但容易驗證。這就是工作量證明的核心思想。

為了方便理解，舉個例子：

假設一個整數(shù) x 乘以另一個整數(shù) y 的積的 Hash 值必須以 0 結(jié)尾，即 hash(x * y) = ac23dc...0。設變量 x = 5，求 y 的值？

用Python實現(xiàn)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}')

結(jié)果是y=21. 因為：

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

在比特幣中，使用稱為Hashcash的工作量證明算法，它和上面的問題很類似。礦工們?yōu)榱藸帄Z創(chuàng)建區(qū)塊的權(quán)利而爭相計算結(jié)果。通常，計算難度與目標字符串需要滿足的特定字符的數(shù)量成正比，礦工算出結(jié)果后，會獲得比特幣獎勵。
當然，在網(wǎng)絡上非常容易驗證這個結(jié)果。

實現(xiàn)工作量證明

讓我們來實現(xiàn)一個相似PoW算法，規(guī)則是：尋找一個數(shù) p，使得它與前一個區(qū)塊的 proof 拼接成的字符串的 Hash 值以 4 個零開頭。

import hashlib
import json
from time import time
from uuid import uuid4
class Blockchain(object):
 ...
 def proof_of_work(self, last_proof):
  """
  簡單的工作量證明:
   - 查找一個 p' 使得 hash(pp') 以4個0開頭
   - p 是上一個塊的證明, p' 是當前的證明
  :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):
  """
  驗證證明: 是否hash(last_proof, proof)以4個0開頭?
  :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"

衡量算法復雜度的辦法是修改零開頭的個數(shù)。使用4個來用于演示，你會發(fā)現(xiàn)多一個零都會大大增加計算出結(jié)果所需的時間。

現(xiàn)在Blockchain類基本已經(jīng)完成了，接下來使用HTTP requests來進行交互。

Blockchain作為API接口

我們將使用Python Flask框架，這是一個輕量Web應用框架，它方便將網(wǎng)絡請求映射到 Python函數(shù)，現(xiàn)在我們來讓Blockchain運行在基于Flask web上。

我們將創(chuàng)建三個接口：

• /transactions/new 創(chuàng)建一個交易并添加到區(qū)塊

• /mine 告訴服務器去挖掘新的區(qū)塊

• /chain 返回整個區(qū)塊鏈
  

創(chuàng)建節(jié)點

我們的“Flask服務器”將扮演區(qū)塊鏈網(wǎng)絡中的一個節(jié)點。我們先添加一些框架代碼：

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)

簡單的說明一下以上代碼：

第15行: 創(chuàng)建一個節(jié)點.
第18行: 為節(jié)點創(chuàng)建一個隨機的名字.
第21行: 實例Blockchain類.
第24–26行: 創(chuàng)建/mine GET接口。
第28–30行: 創(chuàng)建/transactions/new POST接口,可以給接口發(fā)送交易數(shù)據(jù).
第32–38行: 創(chuàng)建 /chain 接口, 返回整個區(qū)塊鏈。
第40–41行: 服務運行在端口5000上.

發(fā)送交易

發(fā)送到節(jié)點的交易數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：

{
 "sender": "my address",
 "recipient": "someone else's address",
 "amount": 5
}

之前已經(jīng)有添加交易的方法，基于接口來添加交易就很簡單了

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()

 # Chek 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

挖礦

挖礦正是神奇所在，它很簡單，做了一下三件事：

1. 計算工作量證明PoW

2. 通過新增一個交易授予礦工（自己）一個幣

3. 構(gòu)造新區(qū)塊并將其添加到鏈中
   

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)
 # 給工作量證明的節(jié)點提供獎勵.
 # 發(fā)送者為 "0" 表明是新挖出的幣
 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們自己的服務器節(jié)點，我們做的大部分工作都只是圍繞Blockchain類方法進行交互。到此，我們的區(qū)塊鏈就算完成了，我們來實際運行下

運行區(qū)塊鏈

你可以使用cURL 或Postman 去和API進行交互

啟動server:

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

讓我們通過請求 http://localhost:5000/mine 來進行挖礦

通過post請求，添加一個新交易

如果不是使用Postman，則用一下的cURL語句也是一樣的：

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

在挖了兩次礦之后，就有3個塊了，通過請求 http://localhost:5000/chain 可以得到所有的塊信息。

{
 "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（共識）

我們已經(jīng)有了一個基本的區(qū)塊鏈可以接受交易和挖礦。但是區(qū)塊鏈系統(tǒng)應該是分布式的。既然是分布式的，那么我們究竟拿什么保證所有節(jié)點有同樣的鏈呢？這就是一致性問題，我們要想在網(wǎng)絡上有多個節(jié)點，就必須實現(xiàn)一個一致性的算法。

注冊節(jié)點

在實現(xiàn)一致性算法之前，我們需要找到一種方式讓一個節(jié)點知道它相鄰的節(jié)點。每個節(jié)點都需要保存一份包含網(wǎng)絡中其它節(jié)點的記錄。因此讓我們新增幾個接口：

1. /nodes/register 接收URL形式的新節(jié)點列表

2. /nodes/resolve 執(zhí)行一致性算法，解決任何沖突，確保節(jié)點擁有正確的鏈

我們修改下Blockchain的init函數(shù)并提供一個注冊節(jié)點方法：

...
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)

我們用 set 來儲存節(jié)點，這是一種避免重復添加節(jié)點的簡單方法。

實現(xiàn)共識算法

前面提到，沖突是指不同的節(jié)點擁有不同的鏈，為了解決這個問題，規(guī)定最長的、有效的鏈才是最終的鏈，換句話說，網(wǎng)絡中有效最長鏈才是實際的鏈。

我們使用一下的算法，來達到網(wǎng)絡中的共識

...
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):
  """
  共識算法解決沖突
  使用網(wǎng)絡中最長的鏈.
  :return: <bool> True 如果鏈被取代, 否則為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

第一個方法 valid_chain() 用來檢查是否是有效鏈，遍歷每個塊驗證hash和proof.

第2個方法 resolve_conflicts() 用來解決沖突，遍歷所有的鄰居節(jié)點，并用上一個方法檢查鏈的有效性， 如果發(fā)現(xiàn)有效更長鏈，就替換掉自己的鏈

讓我們添加兩個路由，一個用來注冊節(jié)點，一個用來解決沖突。

@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

你可以在不同的機器運行節(jié)點，或在一臺機機開啟不同的網(wǎng)絡端口來模擬多節(jié)點的網(wǎng)絡，這里在同一臺機器開啟不同的端口演示，在不同的終端運行一下命令，就啟動了兩個節(jié)點：http://localhost:5000 和 http://localhost:5001

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

然后在節(jié)點2上挖兩個塊，確保是更長的鏈，然后在節(jié)點1上訪問接口/nodes/resolve ,這時節(jié)點1的鏈會通過共識算法被節(jié)點2的鏈取代。

關于使用Python怎么編寫一個區(qū)塊鏈就分享到這里了，希望以上內(nèi)容可以對大家有一定的幫助，可以學到更多知識。如果覺得文章不錯，可以把它分享出去讓更多的人看到。