【程序员必看】如何用Python从0开始创建一个区块链? | 数盟

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在数字货币盛行的档口,比特币,这币那币到底值不值得信赖呢?也许你像很多人一样感到新奇,想接近它,但只因背后的区块链技术,阻断了向新领域尝试的步伐。不过,对于程序员来说,想真正搞懂比特币,搞懂区块链,可不是难题,因为他们能边玩边学,通过一行行pyhton代码,就能真正理解数字货币的底层秘密。能用这么有逼格的方式来学习区块链的,也只有程序员了。

作者 | Daniel van Flymen  纽约区块链工程师

译者 | 熊丽兵 牛娃软件CTO

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。

如果你还不是很了解哈希,可以查看这篇文章https://learncryptography.com/hash-functions/what-are-hash-functions

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。

参考源代码(原代码在我翻译的时候,无法运行,我fork了一份,修复了其中的错误,并添加了翻译,感谢star)

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,做了一下三件事:

  1. 计算工作量证明PoW
  2. 通过新增一个交易授予矿工(自己)一个币
  3. 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
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通过post请求,添加一个新交易
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如果不是使用Postman,则用一下的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。

我们使用一下的算法,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。

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

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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。
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好啦,你可以邀请朋友们一起来测试你的区块链。

作者简介:Daniel van Flymen,纽约区块链工程师

译者简介:熊丽兵, 牛娃软件 CTO ,深入浅出区块链learnblockchain.cn博主,区块链大本营特邀专栏作者。擅长Java/Python/JavaScript语言,曾就职于创新工场(点心团队),猎豹移动,参与开发移动应用,如安卓优化大师,清理大师等。昵称Tiny熊, ,区块链大本营特邀专栏作者, 对底层公链,区块链技术落地有深入研究。

本文原始链接

https://learnblockchain.cn/2017/10/27/build_blockchain_by_python/,转载请注明出处。

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