最快的学习区块链的方式是自己创建一个。
我们都对比特币的崛起感到惊讶惊奇,并且想知道其背后的技术——区块链是如何实现的。
但是完全搞懂区块链并非易事,至少对我来讲是这样。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。
准备工作
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。
如果你不知道哈希值是什么,这里有一个解释。
这份指南的目标人群:阅读这篇文章,要求读者对 Python 有基本的了解,能编写基本的 Python 代码,并且需要对 HTTP 请求有基本的理解。
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。
最终成果:本文的源代码可以在这里找到。
一、开始创建BlockChain
打开你最喜欢的文本编辑器或者IDE,比如 PyCharm,新建一个文件 blockchain.py
,本文所有的代码都写在这一个文件中。如果你丢了它,你总是可以引用源代码。
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:
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
-我们的区块链类的蓝图-
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。
以下是一个区块结构:
block = {
'index': 1,
'timestamp': 1506057125.900785,
'transactions': [
{
'sender': "8527147fe1f5426f9dd545de4b27ee00",
'recipient': "a77f5cdfa2934df3954a5c7c7da5df1f",
'amount': 5,
}
],
'proof': 324984774000,
'previous_hash': "2cf24dba5fb0a30e26e83b2ac5b9e29e1b161e5c1fa7425e73043362938b9824"
}
-链上一个区块的例子-
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。
确定这有用吗?嗯,你可以花点彻底了解它——这可是区块链背后的核心理念。
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: <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
new_transaction()
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。
创建区块
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 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):
"""
生成新块
: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):
"""
生成新的交易信息,信息将加入到下一个待挖的区块中
: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):
"""
生成块的 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()
上述应该是非常直接的——我已经添加了一些注释和字符来帮助大家理解。当表达出我们的区块链时,我们也快要完成了。但现在,你肯定在疑惑新区块是如何被创建、伪造或是挖出的。
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,我们举个例子:
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 # y未知
while sha256(f'{x*y}'.encode()).hexdigest()[-1] != "0":
y += 1
print(f'The solution is y = {y}')
结果 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 hashlib
import json
from time import time
from uuid import uuid4
class 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: <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):
"""
验证证明: 是否hash(last_proof, proof)以4个0开头?
: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。
二、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:
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)
简单的说明一下以上代码:
- 第15行:创建一个节点。在这里阅读更多关于 Flask 的东西。
- 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 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
-创建交易的方法-
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 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)
# 给工作量证明的节点提供奖励.
# 发送者为 "0" 表明是新挖出的币.
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
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。
三、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
* Running on http://127.0.0.1:5000/ (Press CTRL+C to quit)
让我们通过发送 GET
请求到 http://localhost:5000/mine
来进行挖矿:
-使用 Postman 以创建一个 GET
请求-
通过发送 POST
请求到 http://localhost:5000/transactions/new
,添加一个新交易:
-使用 Postman 以创建一个 POST
请求-
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"
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
}
四、一致性(共识)
非常棒,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: <str> Address of node. Eg. 'http://192.168.0.5:5000'
:return: None
"""
parsed_url = urlparse(address)
self.nodes.add(parsed_url.netloc)
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——这意味着无论我们添加特定节点多少次,它实际上都只添加了一次。
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。
...
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):
"""
共识算法解决冲突
使用网络中最长的链.
:return: <bool> True 如果链被取代, 否则为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1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2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
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
。
-注册一个新的节点-
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 GET/nodes/resolve
,这时节点1的链会通过共识算法被节点2的链取代。
-工作中的共识算法-
好啦,你可以邀请朋友们一起来测试你的区块链。
我希望这篇文章能启发你去创建一些新事物。我为加密货币欣喜若狂,因为我相信区块链将迅猛地改变我们思考经济学、……和溯源的方式。
更新:我正在准备一篇后续的 Part 2,在那里,我们会将区块链扩展到拥有一个交易验证机制(Transaction Validation Mechanism),并讨论一些可以产品化你的区块链的方法。
原文链接: https://hackernoon.com/learn-blockchains-by-building-one-117428612f46
作者: Daniel van Flymen
翻译: 闲庭漫步