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Python如何构建区块链

Python 区块链
459 2023-05-12

Python如何构建区块链

区块链

区块链是在计算机网络的节点之间共享数据的分类账(分布式数据库)。作为数据库,区块链以电子格式储存信息。区块链的创新之处在于它保证了数据记录的安全性和真实性,可信性(不需要没有可信任的第三方)。

区块链和典型数据库的区别是数据结构。区块链以block的方式收集信息。

block

block是一种能永久记录加密货币交易数据(或其他用途)的一种数据结构。类似于链表。一个block记录了一些火所有尚未被验证的最新交易。验证数据后,block将关闭,之后会创建一个新的block来输入和验证新的交易。因此,一旦写入,永久不能更改和删除。

  • block是区块链中存储和加密信息的地方

  • block由长数字标识,其中包括先前加密块的加密交易信息和新的交易信息

  • 在创建之前,block以及其中的信息必须由网络验证

以下是一个简单的例子:

block = {

    'index': 1,

    'timestamp': 1506057125.900785,

    'transactions': [

        {

            'sender': "8527147fe1f5426f9dd545de4b27ee00",

            'recipient': "a77f5cdfa2934df3954a5c7c7da5df1f",

            'amount': 5,

        }

    ],

    'proof': 324984774000,

    'previous_hash': "2cf24dba5fb0a30e26e83b2ac5b9e29e1b161e5c1fa7425e73043362938b9824"

}

目标

区块链的目标是允许数字信息被记录和分发,但不能编辑。通过这种方式,区块链成为了不可变分类账或无法更改、删除和销毁的交易记录的基础。

去中心化

想象一下,一家公司拥有10000台服务器,用于维护一个包含所有客户信息的数据库。公司的所有服务器都在一个仓库中,可以完全控制每台服务器。这就提供了单点故障。如果那个地方停电了怎么办?如果他的网络连接被切断了怎么办?在任何情况下,数据都会丢失或损坏。

构建

区块链类

我们将创建一个BlockChain类,构造函数创建一个空列表来存储区块链,再创建一个空列表来存储交易。创建block_chain.py

# block_chain.py

class Blockchain:

    def __init__(self) -> None:

        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

添加交易

我们需要一种将交易添加到区块的方法。new_transaction负责这个

class Blockchain(object):

    ...

    def new_transaction(self, sender, recipient, amount) -> int:

        self.current_transactions.append({

            'sender': sender,

            'recipient': recipient,

            'amount': amount,

        })

        return self.last_block['index'] + 1

new_transaction 将交易添加到列表后,它返回交易将被添加到的块的索引——下一个要挖掘的块。这将在以后对提交交易的用户有用。

创建新blocks

当我们的区块链被实例化时,我们需要为它播种一个创世块——一个没有前辈的块。我们还需要向我们的创世块添加一个“证明”,这是挖掘的结果(或工作量证明)。除了在我们的构造函数中创建创世块之外,我们还将充实 new_block()、new_transaction() 和 hash() 的方法:

import hashlib

import json

from time import time

class Blockchain:

    def __init__(self) -> None:

        self.chain = []

        self.current_transactions = []

        # Create the genesis block

        self.new_block(previous_hash=1, proof=100)

    def new_block(self, proof, previous_hash=None) -> dict:

        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) -> int:

        self.current_transactions.append(

            {

                'sender': sender,

                'recipient': recipient,

                'amount': amount,

            }

        )

        return self.last_block['index'] + 1

    @property

    def last_block(self) -> dict:

        # Returns the last Block in the chain

        return self.chain[-1]

    @staticmethod

    def hash(block) -> str:       

        block_string = json.dumps(block, sort_keys=True).encode()

        return hashlib.sha256(block_string).hexdigest()

到这里,我们几乎完成了代表我们的区块链。但此时,你一定想知道新区块是如何创建、锻造或开采的。

POW

工作量证明算法 (PoW) 是在区块链上创建或挖掘新块的方式,它的目标是发现一个解决问题的数字。这个数字必须很难找到但很容易被网络上的任何人验证。PoW广泛用于加密货币挖掘,用于验证交易和挖掘新代币。由于PoW,比特币和其他加密货币交易可以以安全的方式进行点对点处理,而无需受信任的第三方。

让我们实现一个类似的算法:

class Blockchain(object):

    def proof_of_work(self, last_proof) -> int:

        proof = 0

        while self.valid_proof(last_proof, proof) is False:

            proof += 1

        return proof

    @staticmethod

    def valid_proof(last_proof, proof) -> bool:

        guess = f'{last_proof}{proof}'.encode()

        guess_hash = hashlib.sha256(guess).hexdigest()

        return guess_hash[:4] == '0000'

API

为了使区块链能够交互,我们需要一个将其置于web服务器上。这里我们是用Flask框架。

如果没有安装,需要安装flask

pip install flask

我们的服务器将在我们的区块链网络中形成单一节点,在同级目录下创建一个app.py:

from uuid import uuid4

from time import time

from textwrap import dedent

from flask import Flask, jsonify, request

from block_chain import Blockchain

# 实例化应用

app = Flask(__name__)

# 创建随机节点名称

node_identifier = str(uuid4()).replace('_', '')

# 实例化block_chain类

block_chain = Blockchain()

# 创建/mine端点

@app.route('/mine', methods=['GET'])

def mine():

    block_chain.new_transaction(

        sender="0",

        recipient=node_identifier,

        amount=1,

    )

    last_block = block_chain.last_block

    last_proof = last_block['proof']

    proof = block_chain.proof_of_work(last_proof)

    previous_hash = block_chain.hash(last_block)

    block = block_chain.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

@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': block_chain.chain,

        'length': len(block_chain.chain),

    }

    return jsonify(response), 200

# 修改端口号

if __name__ == '__main__':

    app.run(host='0.0.0.0', port=5000)

然后运行

flask run

通过api软件(本次使用的是api fox)来发送请求:

注册新节点

区块链的全部意义在于它们应该去中心化。如果想要网络中有多个节点,必须采用共识算法。在我们可以实施共识算法之前,我们需要一种方法让节点知道网络上的相邻节点。我们网络上的每个节点都应该保留网络上其他节点的注册表。因此,我们需要更多的端点:

...

from urllib.parse import urlparse

...

class Blockchain:

    def __init__(self) -> None:

        ...

        self.nodes = set()

        ...

    def register_node(self, address) -> None:    

        parsed_url = urlparse(address)

        self.nodes.add(parsed_url.netloc)

冲突

冲突是指一个节点与另一个节点有不同的链。为了解决这个问题,我们将制定最长有效链为权威的规则。使用此算法,我们在网络中的节点之间达成共识。

...

import requests

class Blockchain:

    ...

    def valid_chain(self, chain):

        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

第一个方法 valid_chain() 负责通过遍历每个块并验证哈希和证明来检查链是否有效。resolve_conflicts() 是一种循环遍历我们所有相邻节点、下载它们的链并使用上述方法验证它们的方法。如果找到一个有效的链,其长度大于我们的,我们将替换我们的。

让我们将两个端点注册到我们的 API,一个用于添加相邻节点,另一个用于解决冲突:

@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

在这一点上,如果你愿意,你可以拿一台不同的机器,并在你的网络上启动不同的节点。或者在同一台机器上使用不同的端口启动进程。比如创建两个端口5000和6000来进行尝试。