从0到1 手把手教你建一个区块链
2019-11-11 08:07  加入收藏 区块链   区块链技术   区块链应用  

从0到1 手把手教你建一个区块链

近期的区块链重回热点,如果你想深入了解区块链,那就来看一下本文,手把手教你构建一个自己的区块链。

弄懂区块链的最快方法-亲自构建一个

看到这篇文章,说明您也是对加密货币的兴起感兴趣,想知道区块链是如何工作的和其背后运行的技术原理。

但是想要搞懂区块链并不容易。我在众多的视频中苦苦钻研,跟随着漏洞百出的教程,经历着因区块链相关案例太少而产生的挫败感。

我喜欢从行动中学习。它迫使我从代码层面处理问题,从而解决问题。如果您和我一样做,那么在本指南的最后,您将拥有一个运行正常的区块链,并对它们的工作原理有深入的了解。

上手准备

请记住,区块链是一个不可变的、连续的记录链,称为块。它们可以包含事务、文件或您喜欢的任何数据。但是重要的是,它们通过使用哈希而被链接在一起。

如果您不确定什么是哈希值,请参考这里。

教程面向的人群?

可以轻松地阅读和编写一些基本的Python,并且对HTTP请求的工作方式有所了解,因为本文将通过HTTP与区块链进行交流。

需要准备什么?

确保已安装 Python 3.6 +(以及pip)。您还需要安装Flask和很棒的Requests库:

pip install Flask==0.12.2 requests==2.18.4

您还需要HTTP客户端,例如Postman或cURL。

源代码可在此处获得。

步骤1:构建一个区块链

打开你最喜欢的文本编辑器或IDE,我个人喜欢 PyCharm。创建一个名为blockchain.py的新文件。我们将只使用一个文件,但是如果您有困惑了,可以随时参考源代码。

展示区块链

我们将创建一个Blockchain class,它的构造函数会创建一个初始的空列表(用于存储我们的区块链),另一个用于存储事务。这是脚本:

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

Blockchain class 的demo

我们的Blockchain class负责管理链。它将存储事物,并具有一些将新块添加到链中的辅助方法。让我们来尝试一些新的方法吧。

Block像什么?

每个Block都有以下的内容:

  • 一个索引,

  • 一个时间戳(Unix时间),

  • 一个交易列表,

  • 一个证明(稍后会有更多说明)

  • 前一个区块的哈希值。

单个区块示例:

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

在这一点上,链的概念应该很明显--每个新区块本身都包含前一个区块的哈希值。这是至关重要的,因为这给予了区块链的不可篡改性:如果攻击者破坏了链中较早的区块,则后续所有的区块都将包含不正确的哈希值。

不知道你能理解嘛,请多花些时间去理解它—这是区块链的核心思想。

添加事物到区块中

我们需要一种将事物添加到区块的方法。我们的new_transaction()方法有效,而且很简单:

class Blockchain(object):  ...  def new_transaction(self, sender, recipient, amount):  """  Creates a new transaction to go into the next mined Block  :param sender: Address of the Sender  :param recipient: Address of the Recipient  :param amount: Amount  :return: 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

在new_transaction()添加一个新的交易到列表中,它将返回到交易将被添加进去、即将被开采的区块的索引。这对之后提交交易的用户是很有用处的。

创建新区块

当我们Blockchain被实例化,我们需要用一个genesis块来播种它——一个没有前处理的块。还需要向我们的创世区块添加一个“证明”,这是挖掘(或工作证明)的结果。稍后我们将详细讨论挖矿。

除了在构造函数中创建genesis块,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(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):  """  Create a new Block in the Blockchain  :param proof: The proof given by the Proof of Work algorithm  :param previous_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_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): """  Creates a new transaction to go into the next mined Block  :param sender: Address of the Sender  :param recipient: Address of the Recipient  :param amount: Amount  :return: 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):  """  Creates a SHA-256 hash of a Block  :param block: 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()  return hashlib.sha256(block_string).hexdigest()

上面的内容应该很简单—我添加了一些注释和文档字符串来帮助保持清楚明了。对区块链的表示几乎完成了。但此时,您一定想知道如何创建、锻造或挖掘新的区块。

了解工作量证明

工作算法(PoW)是在区块链上创建或挖掘新区块的方式。PoW的目标是发现可以解决问题的数字。从数字上来说,很难找到该数字,但是很容易被网络上的任何人进行验证。这是工作证明的核心思想。

我们将看一个非常简单的示例来帮助理解。

让我们决定某个整数X乘以另一个Y的哈希必须以0结尾。因此,对于这个简化的示例,让我们修复。在Python中实现:xy0hash(x * y) = ac23dc...0x = 5

from hashlib import sha256  x = 5  y = 0 # We don't know what y should be yet...  while sha256(f'{x*y}'.encode()).hexdigest()[-1] != "0":  y += 1  print(f'The solution is y = {y}')

解是y = 21。因为,产生的哈希值以0结尾:

hash(5 * 21)= 1253e9373e ... 5e3600155e860

在比特币中,工作证明算法称为Hashcash。而且与我们上面的示例并没有太大不同。这是矿工为了创建一个新的块而竞相求解的算法。通常,难度由字符串中搜索的字符数决定。然后,通过在交易中获得硬币,矿工将借此获得奖励。

网络能够轻松验证他们的解决方案。

实施基本的工作证明

让我们为区块链实现类似的算法。我们的规则将类似于上面的示例:

找出一个数字 p ,当该数字与上一个块的解决方案进行哈希运算时,将产生一个带有4个前导4个0的哈希。

import hashlib  import json  from time import time  from uuid import uuid4  class Blockchain(object):  ...  def proof_of_work(self, last_proof):  """  Simple Proof of Work Algorithm:  - Find a number p' such that hash(pp') contains leading 4 zeroes, where p is the previous p'  - p is the previous proof, and p' is the new proof  :param last_proof:  :return:  """  proof = 0  while self.valid_proof(last_proof, proof) is False:  proof += 1  return proof  @staticmethod  def valid_proof(last_proof, proof):  """  Validates the Proof: Does hash(last_proof, proof) contain 4 leading zeroes?  :param last_proof: Previous Proof  :param proof: Current Proof  :return: True if correct, False if not.  """  guess = f'{last_proof}{proof}'.encode()  guess_hash = hashlib.sha256(guess).hexdigest()  return guess_hash[:4] == "0000"

要调整算法的难度,我们可以修改前导零的数量。但是4就足够了。您会发现,添加单个前导零会极大地缩短寻找解决方案所需的时间。

我们的类快要完成了,我们已经准备好开始使用HTTP请求与其进行交互。

步骤2:我们的区块链作为API

我们将使用Python Flask框架。这是一个微框架,可轻松将端点映射到Python函数。这使我们可以使用HTTP请求通过web与区块链进行通信。

我们将创建三种方法:

  • /transactions/new 创建一个新的交易块。

  • /mine 告诉我们的服务器挖掘一个新块。

  • /chain 返回完整的区块链。

设置Flask

我们的“服务器”将在我们的区块链网络中形成单个节点。让我们创建一个demo:

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)

简要说明:

  • 第15行:实例化我们的节点;Flask更多信息。

  • 第18行:为节点创建一个随机名称。

  • 第21行:实例化Blockchain类。

  • 第24–26行:创建/mine端点,这是一个GET请求。

  • 第28–30行:创建/transactions/new端点,这是一个POST请求,因为我们将向它发送数据。

  • 第32–38行:创建/chain端点,该端点返回完整的区块链。

  • 40-41行:在端口5000上运行服务器。

交易端点

这就是交易请求的样子。这是用户发送到服务器的内容:

{  "sender": "my address",  "recipient": "someone else's address",  "amount": 5  }

由于我们已经有了用于将事务添加到块中的类方法,因此其余操作很简单。让我们编写添加事务的函数:

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

挖矿端点

我们的挖矿终点是奇迹发生的地方,这很容易上手。

它必须做三件事:

  1. 计算工作量证明

  2. 奖励矿商(我们)通过增加一个交易给予我们1枚硬币

  3. 将新的区块上链 

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)  # We must receive a reward for finding the proof.  # The sender is "0" to signify that this node has mined a new coin.  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,已开采区块的接收者是我们节点的地址。而且,我们在这里所做的大部分工作只是与Blockchain类上的方法进行交互。至此,我们已经完成,可以开始与区块链进行交互了。

步骤3:与区块链交互

您可以使用普通的旧cURL或Postman通过网络与我们的API进行交互。

启动服务器:

$ python blockchain.py * Running on http://127.0.0.1:5000/ (按CTRL + C退出)

让我们尝试通过向http://localhost:5000/mine:发出GET请求来挖掘一个块:

从0到1 手把手教你建一个区块链

使用邮递员发出GET请求让我们创建一个新的事务,通过发送POST请求到http://localhost:5000/transactions/new,其主体包含我们的事务结构:

从0到1 手把手教你建一个区块链

使用邮递员发出POST请求

如果您不使用Postman,可以使用cURL发出等效请求:http://localhost:5000/chain:

{  "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  }

步骤4:共识

我们目前已经拥有一个基本的区块链,可以接受交易并允许我们挖掘新的区块。但是区块链的重点在于它们应该去中心化。而且,如果它们是去中心,我们如何确保它们都反映相同的链?这叫做共识问题,如果我们要在网络中拥有多个节点,就必须实现共识算法。

注册新节点

在实现共识算法之前,我们需要一种让节点知道网络上相邻节点的方法。我们网络上的每个节点都应保留网络上其他节点的注册表。

因此,我们将需要更多的端点:

  1. /nodes/register 接受URL形式的新节点列表。

  2. /nodes/resolve 实现我们的共识算法,该算法可以解决所有冲突-确保节点具有正确的链。

我们需要修改区块链的构造函数,并提供一种注册节点的方法:

...  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: Address of node. Eg. 'http://192.168.0.5:5000'  :return: None  """  parsed_url = urlparse(address)  self.nodes.add(parsed_url.netloc)

一种将相邻节点添加到网络的方法

请注意,我们使用了a set()来保存节点列表。这是一种廉价方法,它确保添加新节点是幂等,这意味着无论我们添加特定节点多少次,它都将只出现一次。

实施共识算法

如上所述,当一个节点与另一节点具有不同的链时会发生冲突。为了解决这个问题,我们规定最长的有效链是具有最高权威的。换句话说,网络上最长的链是事实链。使用此算法,我们可以在网络中的节点之间达成共识。

...  import requests  class Blockchain(object)  ...  def valid_chain(self, chain):  """  Determine if a given blockchain is valid  :param chain: A blockchain  :return: 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):  """  This is our Consensus Algorithm, it resolves conflicts  by replacing our chain with the longest one in the network.  :return: 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

第一种方法valid_chain()负责通过检查每个块并验证哈希和检验链是否有效。

resolve_conflicts()是一种方法,它会检查我们所有的相邻节点,下载它们的链并使用上述方法验证它们。如果找到有效链,其长度大于我们的长度,我们将替换它。

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

@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

此时,您可以根据需要使用其他计算机,并在网络上启动不同的节点。或使用同一台计算机上的不同端口启动进程。我在机器上的另一个端口上旋转了另一个节点,并将其注册到当前节点。因此,我有两个节点:http://localhost:5000和http://localhost:5001。

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注册新节点

然后,我在节点2上挖到了一些新区块,以确保链更长。之后,对GET /nodes/resolve在节点1上进行了调用,在该节点上,该链被共识算法替换:

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工作中的共识算法

目前为止已经接近成功;可以去找一些朋友一起帮助测试您的区块链。

原文标题:Learn Blockchains by Building One,作者:Daniel van Flymen

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