Python 從零開始構建自己的比特幣區塊鏈系統

JobsLong發表於2019-03-03
這是一篇社群協同翻譯的文章,已完成翻譯,更多資訊請點選 協同翻譯介紹

你是否會和我一樣,對加密數字貨幣底層的區塊鏈技術非常感興趣,特別想了解他們的執行機制。

但是學習區塊鏈技術並非一帆風順,我看多了大量的視訊教程還有各種課程,最終的感覺就是真正可用的實戰課程太少。

我喜歡在實踐中學習,尤其喜歡一程式碼為基礎去了解整個工作機制。如果你我一樣喜歡這種學習方式,當你學完本教程時,你將會知道區塊鏈技術是如何工作的。


寫在開始之前

記住,區塊鏈是一個 不可變的、有序的 被稱為塊的記錄鏈。它們可以包含交易、檔案或任何您喜歡的資料。但重要的是,他們用雜湊 一起被連結在一起。

如果你不熟悉雜湊, 這裡是一個解釋.

該指南的目的是什麼? 你可以舒服地閱讀和編寫基礎的Python,因為我們將通過HTTP與區塊鏈進行討論,所以你也要了解HTTP的工作原理。

我需要準備什麼? 確定安裝了 Python 3.6+ (還有 pip) ,你還需要安裝 Flask、 Requests 庫:

`pip install Flask==0.12.2 requests==2.18.4`
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對了, 你還需要一個支援HTTP的客戶端, 比如 Postman 或者 cURL,其他也可以。
原始碼在哪兒? 可以點選這裡


Step 1: 建立一個區塊鏈

開啟你最喜歡的文字編輯器或者IDE, 我個人比較喜歡 PyCharm. 新建一個名為blockchain.py的檔案。 我們將只用這一個檔案就可以。但是如果你還是不太清楚, 你也可以參考 原始碼.

描述區塊鏈

我們要建立一個 Blockchain 類 ,他的建構函式建立了一個初始化的空列表(要儲存我們的區塊鏈),並且另一個儲存交易。下面是我們這個類的例項:

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
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我們的 Blockchain 類負責管理鏈式資料,它會儲存交易並且還有新增新的區塊到鏈式資料的Method。讓我們開始擴充更多Method


塊是什麼樣的 ?

每個塊都有一個 索引,一個 時間戳(Unix時間戳),一個事務列表, 一個 校驗(稍後詳述) 和 前一個塊的雜湊

下面是一個Block的例子 :

blockchain.py

block = {
    'index': 1,
    'timestamp': 1506057125.900785,
    'transactions': [
        {
            'sender': "8527147fe1f5426f9dd545de4b27ee00",
            'recipient': "a77f5cdfa2934df3954a5c7c7da5df1f",
            'amount': 5,
        }
    ],
    'proof': 324984774000,
    'previous_hash': "2cf24dba5fb0a30e26e83b2ac5b9e29e1b161e5c1fa7425e73043362938b9824"
}
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在這一點上,一個 區塊鏈 的概念應該是明顯的 - 每個新塊都包含在其內的前一個塊的 雜湊 。 這是至關重要的,因為這是 區塊鏈 不可改變的原因:如果攻擊者損壞 區塊鏈 中較早的塊,則所有後續塊將包含不正確的雜湊值。

這有道理嗎? 如果你還沒有想通,花點時間仔細思考一下 - 這是區塊鏈背後的核心理念。


新增交易到區塊

我們將需要一個新增交易到區塊的方式。我們的 new_transaction()方法的責任就是這個, 並且它非常的簡單:

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
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new_transaction() 方法新增了交易到列表,它返回了交易將被新增到的區塊的索引---講開採下一個這對稍後對提交交易的使用者有用。

建立新的區塊

當我們的 Blockchain 被例項化後,我們需要將 創世 區塊(一個沒有前導區塊的區塊)新增進去進去。我們還需要向我們的起源塊新增一個 證明,這是挖礦的結果(或工作證明)。 我們稍後會詳細討論挖礦。

除了在建構函式中建立 創世 區塊外,我們還會補全 new_block()new_transaction()hash() 函式:

blockchain.py

import hashlib
import json
from time import time

class Blockchain(object):
    def __init__(self):
        self.current_transactions = []
        self.chain = []

        # 建立創世區塊
        self.new_block(previous_hash=1, proof=100)

    def new_block(self, proof, previous_hash=None):
        """
        建立一個新的區塊到區塊鏈中
        :param proof: <int> 由工作證明演算法生成的證明
        :param previous_hash: (Optional) <str> 前一個區塊的 hash 值
        :return: <dict> 新區塊
        """

        block = {
            'index': len(self.chain) + 1,
            'timestamp': time(),
            'transactions': self.current_transactions,
            'proof': proof,
            'previous_hash': previous_hash or self.hash(self.chain[-1]),
        }

        # 重置當前交易記錄
        self.current_transactions = []

        self.chain.append(block)
        return block

    def new_transaction(self, sender, recipient, amount):
        """
        建立一筆新的交易到下一個被挖掘的區塊中
        :param sender: <str> 傳送人的地址
        :param recipient: <str> 接收人的地址
        :param amount: <int> 金額
        :return: <int> 持有本次交易的區塊索引
        """
        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):
        """
        給一個區塊生成 SHA-256 值
        :param block: <dict> Block
        :return: <str>
        """

        # 我們必須確保這個字典(區塊)是經過排序的,否則我們將會得到不一致的雜湊
        block_string = json.dumps(block, sort_keys=True).encode()
        return hashlib.sha256(block_string).hexdigest()
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上面的程式碼應該是直白的 --- 為了讓程式碼清晰,我新增了一些註釋和文件說明。 我們差不多完成了我們的區塊鏈。 但在這個時候你一定很疑惑新的塊是怎麼被建立、鍛造或挖掘的。

工作量證明演算法

使用工作量證明(PoW)演算法,來證明是如何在區塊鏈上建立或挖掘新的區塊。PoW 的目標是計算出一個符合特定條件的數字,這個數字對於所有人而言必須在計算上非常困難,但易於驗證。這是工作證明背後的核心思想。

我們將看到一個簡單的例子幫助你理解:

假設一個整數 x 乘以另一個整數 y 的積的 Hash 值必須以 0 結尾,即 hash(x * y) = ac23dc...0。設 x = 5,求 y ?用 Python 實現:

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}')
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結果是: y = 21。因為,生成的 Hash 值結尾必須為 0。

hash(5 * 21) = 1253e9373e...5e3600155e860
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在比特幣中,工作量證明演算法被稱為 Hashcash ,它和上面的問題很相似,只不過計算難度非常大。這就是礦工們為了爭奪建立區塊的權利而爭相計算的問題。 通常,計算難度與目標字串需要滿足的特定字元的數量成正比,礦工算出結果後,就會獲得一定數量的比特幣獎勵(通過交易)。

驗證結果,當然非常容易。

實現工作量證明

讓我們來實現一個相似 PoW 演算法。規則類似上面的例子:

找到一個數字 P ,使得它與前一個區塊的 proof 拼接成的字串的 Hash 值以 4 個零開頭。

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"
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衡量演算法複雜度的辦法是修改零開頭的個數。使用 4 個來用於演示,你會發現多一個零都會大大增加計算出結果所需的時間。

現在 Blockchain 類基本已經完成了,接下來使用 HTTP requests 來進行互動。

Step 2: Blockchain 作為 API 介面

我們將使用 Python Flask 框架,這是一個輕量 Web 應用框架,它方便將網路請求對映到 Python 函式,現在我們來讓 Blockchain 執行在基於 Flask web 上。

我們將建立三個介面:

  • /transactions/new 建立一個交易並新增到區塊
  • /mine 告訴伺服器去挖掘新的區塊
  • /chain 返回整個區塊鏈

建立節點

我們的“Flask 伺服器”將扮演區塊鏈網路中的一個節點。我們先新增一些框架程式碼:

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
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)
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簡單的說明一下以上程式碼:

  • 第 15 行:例項化節點。閱讀更多關於 Flask 內容。
  • 第 18 行:為節點建立一個隨機的名稱。.
  • 第 21 行:例項化 Blockchain 類。
  • 第 24--26 行:建立 /mine 介面,GET 方式請求。
  • 第 28--30 行:建立 /transactions/new 介面,POST 方式請求,可以給介面傳送交易資料。
  • 第 32--38 行:建立 /chain 介面,返回整個區塊鏈。
  • 第 40--41 行:伺服器執行埠 5000 。

傳送交易

傳送到節點的交易資料結構如下:

{
 "sender": "my address",
 "recipient": "someone else's address",
 "amount": 5
}
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因為我們已經有了新增交易的方法,所以基於介面來新增交易就很簡單了。讓我們為新增事務寫函式:

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 
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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. 構造新區塊並將其新增到鏈中

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
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注意交易的接收者是我們自己的伺服器節點,我們做的大部分工作都只是圍繞 Blockchain 類方法進行互動。到此,我們的區塊鏈就算完成了,我們來實際執行下.


Step 3: 執行區塊鏈

你可以使用 cURL 或 Postman 去和 API 進行互動

啟動 Server:

$ python blockchain.py
* Running on http://127.0.0.1:5000/ (Press CTRL+C to quit)
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讓我們通過請求 http://localhost:5000/mine ( GET )來進行挖礦:

Python 從零開始構建自己的比特幣區塊鏈系統


用 Postman 發起一個 GET 請求.

建立一個交易請求,請求 http://localhost:5000/transactions/new (POST),如圖

Python 從零開始構建自己的比特幣區塊鏈系統



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"
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在挖了兩次礦之後,就有 3 個塊了,通過請求 http://localhost:5000/chain 可以得到所有的塊資訊

{
  "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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Step 4: 一致性(共識)

我們已經有了一個基本的區塊鏈可以接受交易和挖礦。但是區塊鏈系統應該是分散式的。既然是分散式的,那麼我們究竟拿什麼保證所有節點有同樣的鏈呢?這就是一致性問題,我們要想在網路上有多個節點,就必須實現一個一致性的演算法

註冊節點

在實現一致性演算法之前,我們需要找到一種方式讓一個節點知道它相鄰的節點。每個節點都需要儲存一份包含網路中其它節點的記錄。因此讓我們新增幾個介面:

  1. /nodes/register 接收 URL 形式的新節點列表.
  2. /nodes/resolve 執行一致性演算法,解決任何衝突,確保節點擁有正確的鏈.

我們修改下 Blockchain 的 init 函式並提供一個註冊節點方法:

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)
複製程式碼

我們用 set 來儲存節點,這是一種避免重複新增節點的簡單方法.


實現共識演算法

就像先前講的那樣,當一個節點與另一個節點有不同的鏈時,就會產生衝突。 為了解決這個問題,我們將制定最長的有效鏈條是最權威的規則。換句話說就是:在這個網路裡最長的鏈就是最權威的。 我們將使用這個演算法,在網路中的節點之間達成共識。

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
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第一個方法 valid_chain() 負責檢查一個鏈是否有效,方法是遍歷每個塊並驗證雜湊和證明。

resolve_conflicts() 是一個遍歷我們所有鄰居節點的方法,下載它們的鏈並使用上面的方法驗證它們。 如果找到一個長度大於我們的有效鏈條,我們就取代我們的鏈條。

我們將兩個端點註冊到我們的API中,一個用於新增相鄰節點,另一個用於解決衝突:

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
複製程式碼

在這一點上,如果你喜歡,你可以使用一臺不同的機器,並在你的網路上啟動不同的節點。 或者使用同一臺機器上的不同埠啟動程式。 我在我的機器上,不同的埠上建立了另一個節點,並將其註冊到當前節點。 因此,我有兩個節點:http://localhost:5000http://localhost:5001。 註冊一個新節點:

Python 從零開始構建自己的比特幣區塊鏈系統


然後我在節點 2 上挖掘了一些新的塊,以確保鏈條更長。 之後,我在節點1上呼叫 GET /nodes/resolve,其中鏈由一致性演算法取代:


Python 從零開始構建自己的比特幣區塊鏈系統



這是一個包,去找一些朋友一起,以幫助測試你的區塊鏈。


我希望本文能激勵你創造更多新東西。我之所以對數字貨幣入迷,是因為我相信區塊鏈會很快改變我們看待事物的方式,包括經濟、政府、檔案管理等。

更新:我計劃在接下來的第2部分中繼續討論區塊鏈交易驗證機制,並討論一些可以讓區塊鏈進行生產的方法。

討論請前往:使用 Python 一步步搭建自己的區塊鏈


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