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。点击查看► Python难懂?买一次西瓜就懂了! ;HTTP请求:http://www.runoob.com/http/http-tutorial.html(复制到浏览器查看)
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 确保已经安装Python3.6+, pip , Flask, requests,安装方法:
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
https://github.com/xilibi2003/blockchain
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。
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:
class Blockchain (object ): def __init__ (self ) : self .chain = []
self .current_transactions = [] def new_block (self ) : pass def new_transaction (self ) : pass @staticmethod def hash (block) : pass @property def last_block (self ) : pass
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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:
block = { 'index' : 1 , 'timestamp'
: 1506057125.900785 , 'transactions' : [ { 'sender' : "8527147fe1f5426f9dd545de4b27ee00" , 'recipient' : "a77f5cdfa2934df3954a5c7c7da5df1f" , 'amount' : 5 , } ], 'proof' : 324984774000 , 'previous_hash' : "2cf24dba5fb0a30e26e83b2ac5b9e29e1b161e5c1fa7425e73043362938b9824" }
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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。
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:
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: Address of the Sender :param recipient: Address of the Recipient :param amount: Amount :return: 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
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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:
import hashlibimport jsonfrom time import timeclass Blockchain (object) : def __init__ (self) : self.current_transactions = [] self.chain = [] self.new_block(previous_hash=1 , proof=100 ) def new_block (self, proof, previous_hash=None) : """ 生成新块 :param proof: The proof given by the Proof of Work algorithm :param previous_hash: (Optional) Hash of previous Block :return:
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 ]), } 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: Address of the Sender :param recipient: Address of the Recipient :param amount: Amount :return: 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: Block :return: """ block_string = json.dumps(block, sort_keys=True ).encode() return hashlib.sha256(block_string).hexdigest()
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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:
from hashlib import sha256 x = 5 y = 0 while sha256(f'{x*y} ' .encode()).hexdigest()[-1 ] != "0" : y += 1 print(
f'The solution is y = {y} ' )
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结果是y=21. 因为:
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。
import hashlibimport jsonfrom time import timefrom uuid import uuid4class 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: :return: """ 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: Previous Proof :param proof: Current Proof :return: True if correct, False if not. """ guess = f'{last_proof} {proof} ' .encode() guess_hash = hashlib.sha256(guess).hexdigest() return guess_hash[:4 ] == "0000"
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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:
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:
import hashlibimport
jsonfrom textwrap import dedentfrom time import timefrom uuid import uuid4from flask import Flaskclass Blockchain (object) : ... app = Flask(__name__) node_identifier = str(uuid4()).replace('-' , '' ) 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 )
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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:
{"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
import hashlibimport jsonfrom textwrap import dedentfrom time import timefrom uuid import uuid4from flask import Flask, jsonify, request ...@app.route('/transactions/new', methods=['POST']) def new_transaction () : values = request.get_json() required = ['sender' , 'recipient' , 'amount' ] if not all(k in values for k in required): return 'Missing values' , 400 index = blockchain.new_transaction(values['sender' ], values['recipient' ], values['amount' ]) response = {'message'
: f'Transaction will be added to Block {index} ' } return jsonify(response), 201
▲ 向右移动,查看完整文本挖矿 挖矿正是神奇所在,它很简单,做了一下三件事:
计算工作量证明PoW
通过新增一个交易授予矿工(自己)一个币
构造新区块并将其添加到链中
import hashlibimport jsonfrom time import timefrom uuid import uuid4from flask import Flask, jsonify, request ...@app.route('/mine', methods=['GET']) def mine () : last_block = blockchain.last_block last_proof = last_block['proof' ] proof = blockchain.proof_of_work(last_proof)
blockchain.new_transaction( sender="0" , recipient=node_identifier, amount=1 , ) 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
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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:
$ python blockchain.py * Runing on http://127.0.0.1:5000/ (Press CTRL+C to quit)
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让我们通过请求 http://localhost:5000/mine 来进行挖矿
通过post请求,添加一个新交易
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"
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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 }
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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:
/nodes/register 接收URL形式的新节点列表
/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:
...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: Address of node. Eg. 'http://192.168.0.5:5000' :return: None """ parsed_url = urlparse(address) self.nodes.add(parsed_url.netloc)
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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。
... import requestsclass Blockchain (object ) ... def valid_chain (self , chain) : "" " Determine if a given blockchain is valid :param chain: A blockchain :return: 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" ) if block['previous_hash' ] != self .hash(last_block): return False 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: True 如果链被取代, 否则为False " "" neighbours = self .nodes new_chain = None max_length = len(self .chain) for node in neighbours: response = requests.get(f'http://{node}/chain' ) if response.status_code == 200 : length = response.json()['length' ] chain = response.json()['chain' ] if
length > max_length and self .valid_chain(chain): max_length = length new_chain = chain if new_chain: self .chain = new_chain return True return False
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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;第二个方法 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。
@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
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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
pipenv run python blockchain.py pipenv run python blockchain.py -p 5001
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。