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用python从0开始创建一个区块链,从代码深入理解区块链

标签:
Python

本文主要内容翻译自Learn Blockchains by Building One

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。

先看看什么去区块链?

假如你是一位女生,在某个晚上,你男票跟你说了一句:"我爱你一生一世"; 然后,你把这句话发给了你的闺蜜、爸妈、朋友圈、公众号、微信群等,你男票再也无法抵赖,你打赏点小费感谢他们给你记住并作证,这个小费就是token。 你、你男票、"我爱你一生一世"这句话、说这句话的时间地点等信息,打包起来形成一个结构化的信息包,这个信息包就叫"区块"。 而你的闺蜜、爸妈、朋友圈、公众号、微信群等节点就是链。最后你男票如果不承认说过这句话,当了负心汉;你翻出这个账本对质,把他臭骂一顿,这就是区块链应用。 还有啊,你男票这个节点会永远被踢出网络,如果你对朋友圈足够大,这个男的可能永远找不到女朋友了。在这个例子中好像区块链解决了人与人之间的信任问题。但其实只是个假象。 N年后,男朋友对她的爱依然可能消失,海誓山盟并没有被背书。至于,分手后对男方造成影响,更是不道德的,这分明就是一种网络暴力。爱或者不爱,都是你们两个的事,与区块链无关。

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:

同时还需要一个HTTP客户端,比如Postman,cURL或其它客户端。

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:


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:

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{% post_link whatbc 区块链技术原理 %}。

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:

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:

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:

结果是y=21,因为:

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。

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:

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:

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:

挖矿

挖矿正是神奇所在,它很简单,做了以下三件事:

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。

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:

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,则用以下的cURL语句也是一样的:

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。

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:

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。

我们使用以下的算法,来达到网络中的共识:

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。

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,在不同的终端运行以下命令,就启动了两个节点:http://localhost:5000 和 http://localhost: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。

作者:书生婉悠

链接:https://www.jianshu.com/p/9b46307674c3


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