用Python從零開始建立區塊鏈

zex發表於2018-04-16

Python區塊鏈

最新內容會更新在主站深入淺出區塊鏈社群
原文連結:用Python從零開始建立區塊鏈

本文主要內容翻譯自Learn Blockchains by Building One
本文原始連結,轉載請註明出處。
作者認為最快的學習區塊鏈的方式是自己建立一個，本文就跟隨作者用Python來建立一個區塊鏈。

對數字貨幣的崛起感到新奇的我們，並且想知道其背後的技術——區塊鏈是怎樣實現的。

但是完全搞懂區塊鏈並非易事，我喜歡在實踐中學習，通過寫程式碼來學習技術會掌握得更牢固。通過構建一個區塊鏈可以加深對區塊鏈的理解。

準備工作

本文要求讀者對Python有基本的理解，能讀寫基本的Python，並且需要對HTTP請求有基本的瞭解。

我們知道區塊鏈是由區塊的記錄構成的不可變、有序的鏈結構，記錄可以是交易、檔案或任何你想要的資料，重要的是它們是通過雜湊值（hashes）連結起來的。

如果你還不是很瞭解雜湊，可以檢視這篇文章

環境準備

環境準備，確保已經安裝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。

參考原始碼（原始碼在我翻譯的時候，無法執行，我fork了一份，修復了其中的錯誤，並新增了翻譯，感謝star）

開始建立Blockchain

新建一個檔案 blockchain.py，本文所有的程式碼都寫在這一個檔案中，可以隨時參考原始碼

Blockchain類

首先建立一個Blockchain類，在建構函式中建立了兩個列表，一個用於儲存區塊鏈，一個用於儲存交易。

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，它能儲存交易，加入新塊等，下面我們來進一步完善這些方法。

塊結構

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

以下是一個區塊的結構：

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

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

加入交易

接下來我們需要新增一個交易，來完善下new_transaction方法

class Blockchain(object):
    ...
    
    def new_transaction(self, sender, recipient, amount):
        """
        生成新交易資訊，資訊將加入到下一個待挖的區塊中
        :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

方法向列表中新增一個交易記錄，並返回該記錄將被新增到的區塊(下一個待挖掘的區塊)的索引，等下在使用者提交交易時會有用。

建立新塊

當Blockchain例項化後，我們需要構造一個創世塊（沒有前區塊的第一個區塊），並且給它加上一個工作量證明。
每個區塊都需要經過工作量證明，俗稱挖礦，稍後會繼續講解。

為了構造創世塊，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):
        """
        生成新交易資訊，資訊將加入到下一個待挖的區塊中
        :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()

通過上面的程式碼和註釋可以對區塊鏈有直觀的瞭解，接下來我們看看區塊是怎麼挖出來的。

理解工作量證明

新的區塊依賴工作量證明演算法（PoW）來構造。PoW的目標是找出一個符合特定條件的數字，這個數字很難計算出來，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 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。設變數 x = 5，求 y 的值？

用Python實現如下：

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的工作量證明演算法，它和上面的問題很類似。礦工們為了爭奪建立區塊的權利而爭相計算結果。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，會獲得比特幣獎勵。
當然，在網路上非常容易驗證這個結果。

實現工作量證明

讓我們來實現一個相似PoW演算法，規則是：尋找一個數 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。

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:
         - 查詢一個 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。

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：

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程式碼：
第15行: 建立一個節點.
第18行: 為節點建立一個隨機的名字.
第21行: 例項Blockchain類.
第24–26行: 建立/mine GET介面。
第28–30行: 建立/transactions/new POST介面,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: 服務執行在埠5000上.

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
}

之前已經有新增交易的方法，基於介面來新增交易就很簡單了

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()

    # 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

挖礦

挖礦正是神奇所在，它很簡單，做了一下三件事：

計算工作量證明PoW
通過新增一個交易授予礦工（自己）一個幣
構造新區塊並將其新增到鏈中

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)

    # 給工作量證明的節點提供獎勵.
    # 傳送者為 "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

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
* 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
用Postman請求挖礦圖

通過post請求，新增一個新交易
用Postman請求挖礦圖

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
}

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：

/nodes/register 接收URL形式的新節點列表
/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：

...
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

前面提到，衝突是指不同的節點擁有不同的鏈，為了解決這個問題，規定最長的、有效的鏈才是最終的鏈，換句話說，網路中有效最長鏈才是實際的鏈。

我們使用一下的演算法，來達到網路中的共識

...
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):
        """
        共識演算法解決衝突
        使用網路中最長的鏈.
        :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() 用來解決衝突，遍歷所有的鄰居節點，並用上一個方法檢查鏈的有效性， 如果發現有效更長鏈，就替換掉自己的鏈

讓我們新增兩個路由，一個用來註冊節點，一個用來解決衝突。

@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執行節點，或在一臺機機開啟不同的網路埠來模擬多節點的網路，這裡在同一臺機器開啟不同的埠演示，在不同的終端執行一下命令，就啟動了兩個節點：http://localhost:5000 和 http://localhost:5001

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

用Python從零開始建立區塊鏈

然後在節點2上挖兩個塊，確保是更長的鏈，然後在節點1上訪問介面/nodes/resolve ,這時節點1的鏈會通過共識演算法被節點2的鏈取代。
共識演算法解決衝突圖

好啦，你可以邀請朋友們一起來測試你的區塊鏈

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準備工作

環境準備

開始建立Blockchain

Blockchain類

塊結構

加入交易

建立新塊

理解工作量證明

實現工作量證明

Blockchain作為API介面

建立節點

傳送交易

挖礦

執行區塊鏈

一致性（共識）

註冊節點

實現共識演算法

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