Python構建區塊鏈的方法詳解

2023-02-27 06:01:00

區塊鏈

區塊鏈是在計算機網路的節點之間共用資料的分類賬(分散式資料庫)。作為資料庫，區塊鏈以電子格式儲存資訊。區塊鏈的創新之處在於它保證了資料記錄的安全性和真實性，可信性（不需要沒有可信任的第三方）。

區塊鏈和典型資料庫的區別是資料結構。區塊鏈以block的方式收集資訊。

block

block是一種能永久記錄加密貨幣交易資料（或其他用途）的一種資料結構。類似於連結串列。一個block記錄了一些火所有尚未被驗證的最新交易。驗證資料後，block將關閉，之後會建立一個新的block來輸入和驗證新的交易。因此，一旦寫入，永久不能更改和刪除。

block是區塊鏈中儲存和加密資訊的地方
block由長數位標識，其中包括先前加密塊的加密交易資訊和新的交易資訊
在建立之前，block以及其中的資訊必須由網路驗證

以下是一個簡單的例子：

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

目標

區塊鏈的目標是允許數位資訊被記錄和分發，但不能編輯。通過這種方式，區塊鏈成為了不可變分類賬或無法更改、刪除和銷燬的交易記錄的基礎。

去中心化

想象一下，一家公司擁有10000臺伺服器，用於維護一個包含所有客戶資訊的資料庫。公司的所有伺服器都在一個倉庫中，可以完全控制每臺伺服器。這就提供了單點故障。如果那個地方停電了怎麼辦？如果他的網路連線被切斷了怎麼辦？在任何情況下，資料都會丟失或損壞。

構建

區塊鏈類

我們將建立一個BlockChain類，建構函式建立一個空列表來儲存區塊鏈，再建立一個空列表來儲存交易。建立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

新增交易

我們需要一種將交易新增到區塊的方法。new_transaction負責這個

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

在 new_transaction 將交易新增到列表後，它返回交易將被新增到的塊的索引——下一個要挖掘的塊。這將在以後對提交交易的使用者有用。

建立新blocks

當我們的區塊鏈被範例化時，我們需要為它播種一個創世塊——一個沒有前輩的塊。我們還需要向我們的創世塊新增一個“證明”，這是挖掘的結果（或工作量證明）。除了在我們的建構函式中建立創世塊之外，我們還將充實 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()

到這裡，我們幾乎完成了代表我們的區塊鏈。但此時，你一定想知道新區塊是如何建立、鍛造或開採的。

POW

工作量證明演演算法 (PoW) 是在區塊鏈上建立或挖掘新塊的方式，它的目標是發現一個解決問題的數位。這個數位必須很難找到但很容易被網路上的任何人驗證。PoW廣泛用於加密貨幣挖掘，用於驗證交易和挖掘新代幣。由於PoW，位元幣和其他加密貨幣交易可以以安全的方式進行對等處理，而無需受信任的第三方。

讓我們實現一個類似的演演算法：

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

為了使區塊鏈能夠互動，我們需要一個將其置於web伺服器上。這裡我們是用Flask框架。

如果沒有安裝，需要安裝flask

pip install flask

我們的伺服器將在我們的區塊鏈網路中形成單一節點,在同級目錄下建立一個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
# 範例化應用
app = Flask(__name__)
# 建立隨機節點名稱
node_identifier = str(uuid4()).replace('_', '')
# 範例化block_chain類
block_chain = Blockchain()
# 建立/mine端點
@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
# 修改埠號
if __name__ == '__main__':
    app.run(host='0.0.0.0', port=5000)

然後執行

flask run

通過api軟體（本次使用的是api fox）來傳送請求：

註冊新節點

區塊鏈的全部意義在於它們應該去中心化。如果想要網路中有多個節點，必須採用共識演演算法。在我們可以實施共識演演算法之前，我們需要一種方法讓節點知道網路上的相鄰節點。我們網路上的每個節點都應該保留網路上其他節點的登入檔。因此，我們需要更多的端點：

...
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)

衝突

衝突是指一個節點與另一個節點有不同的鏈。為了解決這個問題，我們將制定最長有效鏈為權威的規則。使用此演演算法，我們在網路中的節點之間達成共識。

...
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

第一個方法 valid_chain() 負責通過遍歷每個塊並驗證雜湊和證明來檢查鏈是否有效。resolve_conflicts() 是一種迴圈遍歷我們所有相鄰節點、下載它們的鏈並使用上述方法驗證它們的方法。如果找到一個有效的鏈，其長度大於我們的，我們將替換我們的。

讓我們將兩個端點註冊到我們的 API，一個用於新增相鄰節點，另一個用於解決衝突：

@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

在這一點上，如果你願意，你可以拿一臺不同的機器，並在你的網路上啟動不同的節點。或者在同一臺機器上使用不同的埠啟動程序。比如建立兩個埠5000和6000來進行嘗試。

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