2019-05-20 11:44:06 3729瀏覽
對數(shù)字貨幣的崛起感到新奇的我們，一定想知道其背后的技術(shù)——區(qū)塊鏈?zhǔn)窃鯓訉?shí)現(xiàn)的。本篇文章扣丁學(xué)堂區(qū)塊鏈培訓(xùn)小編給讀者們分享一下用Django實(shí)現(xiàn)一個可運(yùn)行的區(qū)塊鏈應(yīng)用，感興趣的小伙伴就隨小編來了解一下吧。
準(zhǔn)備工作
本文要求讀者對Python有基本的理解，能讀寫基本的Python，并且需要對HTTP請求有基本的了解。
我們知道區(qū)塊鏈?zhǔn)怯蓞^(qū)塊的記錄構(gòu)成的不可變、有序的鏈結(jié)構(gòu)，記錄可以是交易、文件或任何你想要的數(shù)據(jù)，重要的是它們是通過哈希值（hashes）鏈接起來的。
環(huán)境準(zhǔn)備
環(huán)境準(zhǔn)備，確保已經(jīng)安裝Python3.5, pip , django, requests，urllib，json，hashlib
安裝方法：
pip install django requests
同時(shí)還需要一個HTTP客戶端，比如Postman，cURL或其它客戶端，本文以Postman為例。
開始創(chuàng)建Blockchain
通過django-admin startproject block創(chuàng)建一個block的項(xiàng)目，在項(xiàng)目中創(chuàng)建一個demo項(xiàng)目django-admin startproject demo。
Blockchain類
在views中創(chuàng)建一個Blockchain類，在構(gòu)造函數(shù)中創(chuàng)建了兩個列表，一個用于儲存區(qū)塊鏈，一個用于儲存交易。
以下是Blockchain類的框架：
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類用來管理鏈條，它能存儲交易，加入新塊等，下面我們來進(jìn)一步完善這些方法。
塊結(jié)構(gòu)
每個區(qū)塊包含屬性：索引（index），Unix時(shí)間戳（timestamp），交易列表（transactions），工作量證明（稍后解釋）以及前一個區(qū)塊的Hash值。
以下是一個區(qū)塊的結(jié)構(gòu)：
block = {
'index': 1,
'timestamp': 1506057125.900785,
'transactions': [
{
'sender': "8527147fe1f5426f9dd545de4b27ee00",
'recipient': "a77f5cdfa2934df3954a5c7c7da5df1f",
'amount': 5,
}
],
'proof': 324984774000,
'previous_hash': "2cf24dba5fb0a30e26e83b2ac5b9e29e1b161e5c1fa7425e73043362938b9824"
}
到這里，區(qū)塊鏈的概念就清楚了，每個新的區(qū)塊都包含上一個區(qū)塊的Hash，這是關(guān)鍵的一點(diǎn)，它保障了區(qū)塊鏈不可變性。如果攻擊者破壞了前面的某個區(qū)塊，那么后面所有區(qū)塊的Hash都會變得不正確。不理解的話，慢慢消化，可參考區(qū)塊鏈記賬原理。
加入交易
接下來我們需要添加一個交易，來完善下new_transaction方法
class Blockchain(object):
...
def new_transaction(self, sender, recipient, amount):
"""
生成新交易信息，信息將加入到下一個待挖的區(qū)塊中
: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個交易記錄，并返回該記錄將被添加到的區(qū)塊(下一個待挖掘的區(qū)塊)的索引，等下在用戶提交交易時(shí)會有用。
創(chuàng)建新塊
當(dāng)Blockchain實(shí)例化后，我們需要構(gòu)造一個創(chuàng)世塊（沒有前區(qū)塊的第一個區(qū)塊），并且給它加上一個工作量證明。
每個區(qū)塊都需要經(jīng)過工作量證明，俗稱挖礦，稍后會繼續(xù)講解。
為了構(gòu)造創(chuàng)世塊，我們還需要完善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,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()
通過上面的代碼和注釋可以對區(qū)塊鏈有直觀的了解，接下來我們看看區(qū)塊是怎么挖出來的。
理解工作量證明
新的區(qū)塊依賴工作量證明算法（PoW）來構(gòu)造。PoW的目標(biāo)是找出一個符合特定條件的數(shù)字， 這個數(shù)字很難計(jì)算出來，但容易驗(yàn)證 。這就是工作量證明的核心思想。
為了方便理解，舉個例子：
假設(shè)一個整數(shù) x 乘以另一個整數(shù) y 的積的 Hash 值必須以 0 結(jié)尾，即 hash(x * y) = ac23dc…0。設(shè)變量 x = 5，求 y 的值？
用Python實(shí)現(xiàn)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)
在比特幣中，使用稱為Hashcash的工作量證明算法，它和上面的問題很類似。礦工們?yōu)榱藸帄Z創(chuàng)建區(qū)塊的權(quán)利而爭相計(jì)算結(jié)果。通常，計(jì)算難度與目標(biāo)字符串需要滿足的特定字符的數(shù)量成正比，礦工算出結(jié)果后，會獲得比特幣獎勵。
當(dāng)然，在網(wǎng)絡(luò)上非常容易驗(yàn)證這個結(jié)果。
實(shí)現(xiàn)工作量證明
讓我們來實(shí)現(xiàn)一個相似PoW算法，規(guī)則是：尋找一個數(shù) p，使得它與前一個區(qū)塊的 proof 拼接成的字符串的 Hash 值以 4 個零開頭。
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"
衡量算法復(fù)雜度的辦法是修改零開頭的個數(shù)。使用4個來用于演示，你會發(fā)現(xiàn)多一個零都會大大增加計(jì)算出結(jié)果所需的時(shí)間。
現(xiàn)在Blockchain類基本已經(jīng)完成了，接下來使用HTTP requests來進(jìn)行交互。
Blockchain作為API接口
我們將使用Python django框架，這是一個輕量Web應(yīng)用框架，它方便將網(wǎng)絡(luò)請求映射到 Python函數(shù)，現(xiàn)在我們來讓來試一下：
我們將創(chuàng)建三個接口：
/transactions/new 創(chuàng)建一個交易并添加到區(qū)塊 /mine 告訴服務(wù)器去挖掘新的區(qū)塊 /chain 返回整個區(qū)塊鏈
創(chuàng)建節(jié)點(diǎn)
我們的“django web服務(wù)器”將扮演區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中的一個節(jié)點(diǎn)。我們先添加一些框架代碼：
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路由節(jié)點(diǎn)：運(yùn)行服務(wù)
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), ]
運(yùn)行服務(wù)
python manage.py runserver 127.0.0.1:8000
發(fā)送交易
發(fā)送到節(jié)點(diǎn)的交易數(shù)據(jù)，結(jié)構(gòu)如下：
{
"sender": "my address",
"recipient": "someone else's address",
"amount": 5
}
挖礦
挖礦正是神奇所在，它很簡單，做了一下三件事：
計(jì)算工作量證明PoW
通過新增一個交易授予礦工（自己）一個幣
構(gòu)造新區(qū)塊并將其添加到鏈中
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們自己的服務(wù)器節(jié)點(diǎn)，我們做的大部分工作都只是圍繞Blockchain類方法進(jìn)行交互。到此，我們的區(qū)塊鏈就算完成了，我們來實(shí)際運(yùn)行下。
運(yùn)行區(qū)塊鏈
你可以使用cURL 或Postman 去和API進(jìn)行交互
在挖了兩次礦之后，就有3個塊了
{ "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（共識）
我們已經(jīng)有了一個基本的區(qū)塊鏈可以接受交易和挖礦。但是區(qū)塊鏈系統(tǒng)應(yīng)該是分布式的。既然是分布式的，那么我們究竟拿什么保證所有節(jié)點(diǎn)有同樣的鏈呢？這就是一致性問題，我們要想在網(wǎng)絡(luò)上有多個節(jié)點(diǎn)，就必須實(shí)現(xiàn)一個一致性的算法。
注冊節(jié)點(diǎn)
在實(shí)現(xiàn)一致性算法之前，我們需要找到一種方式讓一個節(jié)點(diǎn)知道它相鄰的節(jié)點(diǎn)。每個節(jié)點(diǎn)都需要保存一份包含網(wǎng)絡(luò)中其它節(jié)點(diǎn)的記錄。因此讓我們新增幾個接口：
/register 接收URL形式的新節(jié)點(diǎn)列表 /resolve 執(zhí)行一致性算法，解決任何沖突，確保節(jié)點(diǎn)擁有正確的鏈
我們修改下Blockchain的init函數(shù)并提供一個注冊節(jié)點(diǎn)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)
我們用 set 來儲存節(jié)點(diǎn)，這是一種避免重復(fù)添加節(jié)點(diǎn)的簡單方法。
實(shí)現(xiàn)共識算法
前面提到，沖突是指不同的節(jié)點(diǎn)擁有不同的鏈，為了解決這個問題，規(guī)定最長的、有效的鏈才是最終的鏈，換句話說，網(wǎng)絡(luò)中有效最長鏈才是實(shí)際的鏈。
我們使用一下的算法，來達(dá)到網(wǎng)絡(luò)中的共識
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
第一個方法 valid_chain() 用來檢查是否是有效鏈，遍歷每個塊驗(yàn)證hash和proof.
第2個方法 resolve_conflicts() 用來解決沖突，遍歷所有的鄰居節(jié)點(diǎn)，并用上一個方法檢查鏈的有效性， 如果發(fā)現(xiàn)有效更長鏈，就替換掉自己的鏈
在url中添加兩個路由，一個用來注冊節(jié)點(diǎn)，一個用來解決沖突。
from demo import views urlpatterns = [ url(r'^register', views.register_nodes), url(r'^resolve', views.consensus), ]
你可以在不同的機(jī)器運(yùn)行節(jié)點(diǎn)，或在一臺機(jī)機(jī)開啟不同的網(wǎng)絡(luò)端口來模擬多節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)，這里在同一臺機(jī)器開啟不同的端口演示，在不同的終端運(yùn)行一下命令。
然后在節(jié)點(diǎn)8100節(jié)點(diǎn)上挖兩個塊，確保是更長的鏈，然后在節(jié)點(diǎn)8000節(jié)點(diǎn)上訪問接口/resolve ,這時(shí)節(jié)點(diǎn)8100的鏈會通過共識算法被節(jié)點(diǎn)8000節(jié)點(diǎn)的鏈取代。
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