概述
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。
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。
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:
pip install django requests
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-admin startproject block创建一个block的项目,在项目中创建一个demo项目django-admin startproject demo ,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): # 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
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 :param sender: <str> Address of the Sender :param recipient: <str> Address of the Recipient :param amount: <int> Amount :return: <int> 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
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:
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,amount): self.current_transactions.append({ 'sender': sender,}) 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HTTP requests来进行交互。
Blockchain作为API接口
我们将使用Python django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“django web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('-','') # Instantiate the Blockchain 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,) # 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'],} 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 'Missing values' index = blockchain.new_transaction(values['sender'],values['recipient'],values['amount']) print(index) response = {'message': 'Transaction will be added to Block %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
python manage.py runserver 127.0.0.1:8000
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 }
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
构造新区块并将其添加到链中
def proof_of_work(self,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
你可以使用cURL 或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","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:
/register 接收URL形式的新节点列表 /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 # 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): 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'] # 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',]
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。
总结
以上所述是小编给大家介绍的用Django实现一个可运行的区块链应用,希望对大家有所帮助,如果大家有任何疑问请给我留言,小编会及时回复大家的。在此也非常感谢大家对编程小技巧网站的支持!
总结
以上是编程之家为你收集整理的用Django实现一个可运行的区块链应用全部内容,希望文章能够帮你解决用Django实现一个可运行的区块链应用所遇到的程序开发问题。
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