扣丁学堂Python培训之用Django实现一个可运行的区块链应用

2018-03-13 10:35:17 762浏览

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。下面内容对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。

环境准备环境准备，确保已经安装Python3.5,pip,django,requests，urllib，json，hashlib安装方法：

pipinstalldjangorequests

同时还需要一个HTTP客户端，比如Postman，cURL或其它客户端，本文以Postman为例。

开始创建Blockchain通过django-adminstartprojectblock创建一个block的项目，在项目中创建一个demo项目django-adminstartprojectdemo，目录结构：

Blockchain类在views中创建一个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：

class

Blockchain

(

object

):

def

__init__(

self

):

self

.chain=[]

self

.current_transactions=[]

def

new_block(

self

):

#CreatesanewBlockandaddsittothechain

pass

def

new_transaction(

self

):

#Addsanewtransactiontothelistoftransactions

pass

@staticmethod

def

hash(block):

#HashesaBlock

pass

@property

def

last_block(

self

):

#ReturnsthelastBlockinthechain

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。

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

class

Blockchain

(

object

):

...

def

new_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:<str>AddressoftheSender

:paramrecipient:<str>AddressoftheRecipient

:paramamount:<int>Amount

:return:<int>TheindexoftheBlockthatwillholdthistransaction

"""

self

.current_transactions.append({

'sender'

:sender,

'recipient'

:recipient,

'amount'

:amount,

})

return

self

.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newblock(),newtransaction()和hash()方法：

class

Blockchain

(

object

):

def

__init__(

self

):

self

.chain=[]

self

.current_transactions=[]

self

.new_block(previous_hash=

1

,proof=

100

)

self

.nodes=

set

()

def

new_block(

self

,proof,previous_hash=

None

):

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):

self

.current_transactions.append({

'sender'

:sender,

'recipient'

:recipient,

'amount'

:amount,

})

return

self

.last_block[

'index'

]+

1

@staticmethod

def

hash(block):

block_string=json.dumps(block,sort_keys=

True

).encode()

return

hashlib.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。

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：

from

hashlib

import

sha256

x=

5

y=

0

while

sha256(str(x*y).encode()).hexdigest()[:

4

]!=

"0000"

:

y+=

1

print

(y,sha256(str(x*y).encode()).hexdigest()[:

4

])

print

(y)

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。

import

hashlib

import

json

from

time

import

time

from

uuid

import

uuid4

class

Blockchain

(

object

):

...

def

last_block(

self

):

return

self

.chain[-

1

]

def

proof_of_work(

self

,last_proof):

proof=

0

while

self

.valid_proof(last_proof,proof)

is

False

:

proof+=

1

return

proof

@staticmethod

def

valid_proof(last_proof,proof):

guess=str(last_proof*proof).encode()

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

return

guess_hash[:

5

]==

"00000"

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HTTPrequests来进行交互。

Blockchain作为API接口我们将使用Pythondjango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，现在我们来让来试一下：

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“djangoweb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：

node_identifier=str(uuid4()).replace(

'-'

,

''

)

#InstantiatetheBlockchain

blockchain=

Blockchain

()

def

mine(request):

last_block=blockchain.last_block

last_proof=last_block[

'proof'

]

proof=blockchain.proof_of_work(last_proof)

print

(proof)

blockchain.new_transaction(

sender=

"0"

,

recipient=node_identifier,

amount=

1

,

)

#ForgethenewBlockbyaddingittothechain

block=blockchain.new_block(proof)

response={

'message'

:

"NewBlockForged"

,

'index'

:block[

'index'

],

'transactions'

:block[

'transactions'

],

'proof'

:block[

'proof'

],

'previous_hash'

:block[

'previous_hash'

],

}

print

(response)

return

HttpResponse

(json.dumps(response))

def

new_transaction(request):

values=json.loads(request.body.decode(

'utf-8'

))

required=[

'sender'

,

'recipient'

,

'amount'

]

if

not

all(k

in

values

for

k

in

required):

return

'Missingvalues'

index=blockchain.new_transaction(values[

'sender'

],values[

'recipient'

],values[

'amount'

])

print

(index)

response={

'message'

:

'TransactionwillbeaddedtoBlock%s'

%index}

return

HttpResponse

(json.dumps(response))

def

full_chain(request):

response={

'chain'

:blockchain.chain,

'length'

:len(blockchain.chain),

}

return

HttpResponse

(json.dumps(response))

添加url路由节点：运行服务

from

demo

import

views

urlpatterns=[

url(r

'^admin/'

,admin.site.urls),

url(r

'^mine'

,views.mine),

url(r

'^transactions/new/'

,views.new_transaction),

url(r

'^chain/'

,views.full_chain),

url(r

'^register'

,views.register_nodes),

url(r

'^resolve'

,views.consensus),

]

运行服务

pythonmanage.pyrunserver

127.0

.

0.1

:

8000

发送交易发送到节点的交易数据，结构如下：

{

"sender"

:

"myaddress"

,

"recipient"

:

"someoneelse'saddress"

,

"amount"

:

5

}

向服务添加一个交易

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

def

proof_of_work(

self

,last_proof):

proof=

0

while

self

.valid_proof(last_proof,proof)

is

False

:

proof+=

1

return

proof

@staticmethod

def

valid_proof(last_proof,proof):

guess=str(last_proof*proof).encode()

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

return

guess_hash[:

5

]==

"00000"

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

运行区块链使用Postman去和API进行交互

让我们通过请求http://127.0.0.1:8000/mine来进行挖矿

在挖了两次矿之后，就有3个块了，通过请求http://localhost:8000/chain可以得到所有的块信息。

{

"chain"

:[

{

"transactions"

:[],

"proof"

:

100

,

"timestamp"

:

1520314374.7261052

,

"index"

:

1

,

"previous_hash"

:

1

},

{

"transactions"

:[

{

"sender"

:

"0"

,

"recipient"

:

"27d4aae55b2848dcae52bc722d86e0c3"

,

"amount"

:

1

}

],

"proof"

:

1771087

,

"timestamp"

:

1520314389.5019505

,

"index"

:

2

,

"previous_hash"

:

"32fa73f48240160257e95fdf8422c6df734b5d7e8ceb69a41a5578643c1d36fb"

},

{

"transactions"

:[

{

"sender"

:

"d4ee26eee15148ee92c6cd394edd9705"

,

"recipient"

:

"5"

,

"amount"

:

500

},

{

"sender"

:

"0"

,

"recipient"

:

"27d4aae55b2848dcae52bc722d86e0c3"

,

"amount"

:

1

}

],

"proof"

:

100

,

"timestamp"

:

1520314592.4745598

,

"index"

:

3

,

"previous_hash"

:

"e6b1be488e0ed20fe3ec51135e5fafb4dfffaa28a190967106a5dd3e89e4b3aa"

}

],

"length"

:

3

}

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：

1、/register接收URL形式的新节点列表

2、/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：

from

urllib.parse

import

urlparse

...

class

Blockchain

(

object

):

def

__init__(

self

):

...

self

.nodes=

set

()

...

def

register_node(

self

,address):

parsed_url=urlparse(address)

self

.nodes.add(parsed_url.netloc)

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

class

Blockchain

(

object

):

def

__init__(

self

):

...

def

valid_chain(

self

,chain):

last_block=chain[

0

]

current_index=

1

while

current_index<len(chain):

block=chain[current_index]

if

block[

'previous_hash'

]!=

self

.hash(last_block):

return

False

#CheckthattheProofofWorkiscorrect

if

not

self

.valid_proof(last_block[

'proof'

],block[

'proof'

]):

return

False

last_block=block

current_index+=

1

return

True

def

resolve_conflicts(

self

):

neighbours=

self

.nodes

new_chain=

None

max_length=len(

self

.chain)

for

node

in

neighbours:

response=requests.

get

(

'http://%s/chain'

%node)

if

response.status_code==

200

:

length=json.loads(response)[

'length'

]

chain=json.loads(response)[

'chain'

]

#Checkifthelengthislongerandthechainisvalid

if

length>max_length

and

self

.valid_chain(chain):

max_length=length

new_chain=chain

#Replaceourchainifwediscoveredanew,validchainlongerthanours

if

new_chain:

self

.chain=new_chain

return

True

return

False

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

在url中添加两个路由，一个用来注册节点，一个用来解决冲突。

from

demo

import

views

urlpatterns=[

url(r

'^register'

,views.register_nodes),

url(r

'^resolve'

,views.consensus),

]

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://127.0.0.1:8000和http://127.0.0.1:8100

然后在节点8100节点上挖两个块，确保是更长的链，然后在节点8000节点上访问接口/resolve,这时节点8100的链会通过共识算法被节点8000节点的链取代。

最后想要了解更多关于Python发展前景趋势，请关注扣丁学堂python培训官网、微信等平台，扣丁学堂IT职业在线学习教育平台为您提供最新的Python视频教程系统，通过千锋扣丁学堂金牌讲师在线录制的Python视频教程课程，让你快速掌握Python从入门到精通开发实战技能。扣丁学堂Python开发工程师技术交流群：279521237。

【关注微信公众号获取更多学习资料】

查看更多关于"Python开发资讯"的相关文章>>