区块链最近很火,那么对数字货币的崛起感到新奇的我们,并且想知道其背后的技术——区块链是怎样实现的。
但是完全搞懂区块链并非易事,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。
环境准备!
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。
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:
classBlockchain(object):
def__init__(self):
self.chain = []
self.current_transactions = []
defnew_block(self):
# Creates a new Block and adds it to the chain
pass
defnew_transaction(self):
# Adds a new transaction to the list of transactions
pass
@staticmethod
defhash(block):
# Hashes a Block
pass
@property
deflast_block(self):
# Returns the last Block in the chain
pass
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:
block = {
'index':1,
'timestamp':1506057125.900785,
'transactions': [
{
'sender':"8527147fe1f5426f9dd545de4b27ee00",
'recipient':"a77f5cdfa2934df3954a5c7c7da5df1f",
'amount':5,
}
],
'proof':324984774000,
'previous_hash':"2cf24dba5fb0a30e26e83b2ac5b9e29e1b161e5c1fa7425e73043362938b9824"
}
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,可参考区块链记账原理。
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:
classBlockchain(object):
...
defnew_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
:paramsender: Address of the Sender
:paramrecipient: Address of the Recipient
:paramamount: Amount
:return: The index of the Block that will hold this transaction
"""
self.current_transactions.append({'sender': sender,'recipient': recipient,'amount': amount,})
returnself.last_block['index'] +1
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:
importhashlib
importjson
fromtimeimporttime
classBlockchain(object):
def__init__(self):
self.current_transactions = []
self.chain = []
# Create the genesis block
self.new_block(previous_hash=1,proof=100)
defnew_block(self,proof,previous_hash=None):
"""
生成新块
:paramproof: The proof given by the Proof of Work algorithm
:paramprevious_hash: (Optional) Hash of previous Block
:return: New Block
"""
block = {
'index':len(self.chain) +1,
'timestamp': time(),
'transactions':self.current_transactions,
'proof': proof,
'previous_hash': previous_hashorself.hash(self.chain[-1]),
}
# Reset the current list of transactions
self.current_transactions = []
self.chain.append(block)
returnblock
defnew_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
:paramsender: Address of the Sender
:paramrecipient: Address of the Recipient
:paramamount: Amount
:return: The index of the Block that will hold this transaction
"""
self.current_transactions.append({
'sender': sender,
'recipient': recipient,
'amount': amount,
})
returnself.last_block['index'] +1
@property
deflast_block(self):
returnself.chain[-1]
@staticmethod
defhash(block):
"""
生成块的 SHA-256 hash值
:paramblock: Block
:return:
"""
# We must make sure that the Dictionary is Ordered, or we'll have inconsistent hashes
block_string = json.dumps(block,sort_keys=True).encode()
returnhashlib.sha256(block_string).hexdigest()
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。
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。
importhashlib
importjson
fromtimeimporttime
fromuuidimportuuid4
classBlockchain(object):
...
defproof_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
:paramlast_proof:
:return:
"""
proof =
whileself.valid_proof(last_proof,proof)is False:
proof +=1
returnproof
@staticmethod
defvalid_proof(last_proof,proof):
"""
验证证明: 是否hash(last_proof, proof)以4个0开头?
:paramlast_proof: Previous Proof
:paramproof: Current Proof
:return: True if correct, False if not.
"""
guess =f''.encode()
guess_hash = hashlib.sha256(guess).hexdigest()
returnguess_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。
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:
importhashlib
importjson
fromtextwrapimportdedent
fromtimeimporttime
fromuuidimportuuid4
fromflaskimportFlask
classBlockchain(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'])
defmine():
return"We'll mine a new Block"
@app.route('/transactions/new',methods=['POST'])
defnew_transaction():
return"We'll add a new transaction"
@app.route('/chain',methods=['GET'])
deffull_chain():
response = {'chain': blockchain.chain,'length':len(blockchain.chain),}
returnjsonify(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.
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
importhashlib
importjson
fromtextwrapimportdedent
fromtimeimporttime
fromuuidimportuuid4
fromflaskimportFlask,jsonify,request
...
@app.route('/transactions/new',methods=['POST'])
defnew_transaction():
values = request.get_json()
# Check that the required fields are in the POST'ed data
required = ['sender','recipient','amount']
if notall(kinvaluesforkinrequired):
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 '}
returnjsonify(response),201
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
importhashlib
importjson
fromtimeimporttime
fromuuidimportuuid4
fromflaskimportFlask,jsonify,request
...
@app.route('/mine',methods=['GET'])
defmine():
# 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
block = blockchain.new_block(proof)
response = {
'message':"New Block Forged",
'index': block['index'],
'transactions': block['transactions'],
'proof': block['proof'],
'previous_hash': block['previous_hash'],
}
returnjsonify(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。
好啦,你可以邀请朋友们一起来玩一玩你的区块链。
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