内容简介:了解区块链Blockchains如何工作的最快方法就是构建一个区块链。你来到这里是因为,和我一样,你对加密钱币的崛起感到很兴奋。而且你想知道区块链是如何工作的,想了解它们背后的基本技术。但理解区块链并不容易,或者至少不适合我。我在密集的视频中跋涉,接着是千疮百孔的教程,并且处理了极少数放大挫折的例子。我喜欢边做边学。它迫使我在代码级别处理主题,这使得它坚持下去。如果你这样做,在本指南的最后,你将拥有一个功能正常的区块链,可以牢牢掌握它们的工作原理。
了解区块链Blockchains如何工作的最快方法就是构建一个区块链。你来到这里是因为,和我一样,你对加密钱币的崛起感到很兴奋。而且你想知道区块链是如何工作的,想了解它们背后的基本技术。
但理解区块链并不容易,或者至少不适合我。我在密集的视频中跋涉,接着是千疮百孔的教程,并且处理了极少数放大挫折的例子。
我喜欢边做边学。它迫使我在代码级别处理主题,这使得它坚持下去。如果你这样做,在本指南的最后,你将拥有一个功能正常的区块链,可以牢牢掌握它们的工作原理。
在你开始之前……
请记住,区块链是一个名为Blocks的不可变的连续记录链。它们可以包含你喜欢的交易,文件或任何数据。但重要的是他们用哈希链接在一起。
如果你不确定哈希是什么,这里有一个 解释 。
本指南的目标是谁?你应该舒服地阅读和能编写一些基本的Python,并且对HTTP请求的工作方式有一些了解,因为我们将通过HTTP与我们的区块链交互。
我需要什么?确保安装了 Python 3.6 + (以及 pip
)。你还需要安装Flask和精彩的Requests库:
pip install Flask==0.12.2 requests==2.18.4
哦,你还需要一个HTTP客户端,比如 Postman 或cURL。任何一个都可以。
最终的代码在哪里? 源代码 可在此处获得。
第1步:构建区块链
打开你最喜欢的文本编辑器或IDE,我个人 PyCharm 。创建一个名为 blockchain.py
的新文件。我们只会使用一个文件,但是如果你迷路了,你总是可以参考源代码。
代表区块链
我们将创建一个Blockchain类,其构造函数创建一个初始的空列表(用于存储我们的Blockchain链),另一个用于存储交易。这是我们Class的蓝图:
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
我们的Blockchain类负责管理链。它将存储交易并具有一些辅助方法,用于向链中添加新块。让我们开始充实一些方法。
Block看起来像什么?
每个块都有一个索引,一个时间戳(在Unix时间内),一个交易列表 ,一个证明(后面会有更多内容),以及前一个块的哈希值。
以下是单个Block的示例:
block = { 'index': 1, 'timestamp': 1506057125.900785, 'transactions': [ { 'sender': "8527147fe1f5426f9dd545de4b27ee00", 'recipient': "a77f5cdfa2934df3954a5c7c7da5df1f", 'amount': 5, } ], 'proof': 324984774000, 'previous_hash': "2cf24dba5fb0a30e26e83b2ac5b9e29e1b161e5c1fa7425e73043362938b9824" }
在这一点上,链的概念应该是显而易见的,每个新块本身包含前一个块的hash。这是至关重要的,因为它是区块链不可变性的原因:如果攻击者破坏链中的早期块,则所有后续块将包含不正确的哈希值。
这有意义吗?如果没有,花一些时间了解,它是区块链背后的核心理念。
将交易添加到块
我们需要一种向块添加交易的方法。我们的 new_transaction()
方法对此负责,而且非常简单:
class Blockchain(object): ... def new_transaction(self, sender, recipient, amount): """ Creates a new transaction to go into the next mined Block :param sender: <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
在 new_transaction()
向列表添加交易之后,它返回交易将被添加到下一个要被挖掘的块的索引。这将对以后提交交易的用户有用。
创建新块
当我们的Blockchain被实例化时,我们需要用一个创世块,一个没有前任的区块来种子化它。我们还需要在我们的创世块中添加一个证明 proof
,这是挖掘(或工作量证明)的结果。我们稍后会详细谈论挖掘。
除了在构造函数中创建genesis块之外,我们还将 new_block()
, new_transaction()
和 hash()
:
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: <int> The proof given by the Proof of Work algorithm :param previous_hash: (Optional) <str> Hash of previous Block :return: <dict> 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: <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 @property def last_block(self): return self.chain[-1] @staticmethod def hash(block): """ Creates a SHA-256 hash of a Block :param block: <dict> Block :return: <str> """ # 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()
以上内容应该是直截了当的,我已经添加了一些注释和文档字符串以帮助保持清晰。我们几乎完成了代表我们的区块链。但在这一点上,你必须想知道如何创建,伪造或挖掘新块。
理解工作量证明
工作量证明算法(PoW)是在区块链上创建或挖掘新块的方式。PoW的目标是发现一个解决问题的数字。这个数字必须很难找到,但很容易通过网络上的任何人进行核算——计算。这是工作证明背后的核心理念。
我们将看一个非常简单的例子来帮助这个陷入困境。
让我们决定某个整数 x
的hash乘以另一个 y
必须以 0
结尾。所以, hash(x * y) = ac23dc...0
。对于这个简化的例子,让我们修复 x = 5
。在 Python 中实现这个:
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}')
这里的解决方案是 y = 21
。因为,生成的hash以 0
结尾:
hash(5 * 21) = 1253e9373e...5e3600155e860
在比特币中,工作证明算法称为 Hashcash 。它与我们上面的基本示例没有什么不同。这是矿工为了创造一个新的块而竞争解决的算法。通常,难度取决于字符串中搜索的字符数。 然后矿工通过接收硬币进行交易而获得奖励。
网络能够轻松验证其解决方案。
实施基本的工作量证明
让我们为区块链实现类似的算法。我们的规则与上面的例子类似:
找到一个数字p,当使用前一个块的解决方案进行hash时,会生成 一个带有4个前导 0
的 hash
。
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: <int> :return: <int> """ 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: <int> Previous Proof :param proof: <int> Current Proof :return: <bool> True if correct, False if not. """ guess = f'{last_proof}{proof}'.encode() guess_hash = hashlib.sha256(guess).hexdigest() return guess_hash[:4] == "0000"
为了调整算法的难度,我们可以修改前导零的数量。但是4就足够了。你会发现,添加一个前导零会使找到解决方案所需的时间产生巨大差异。
我们的类几乎完成了,我们准备开始使用HTTP请求与它进行交互。
第2步:我们的区块链作为API
我们将使用Python Flask Framework。它是一个微框架,可以很容易地将端点映射到Python函数。这允许我们使用HTTP请求通过Web与我们的区块链交互。
我们将创建三种方法:
/transactions/new /mine /chain
设置flask
我们的“服务器”将在我们的区块链网络中形成一个单一节点。让我们创建一些样板代码:
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)
我们上面添加的内容的简要说明:
- 第15行:实例化我们的节点。在这里阅读更多关于Flask的信息。
- 第18行:为我们的节点创建一个随机名称。
- 第21行:实例化我们的Blockchain类。
- 第24-26行:创建
/mine
,这是一个GET
请求。 - 第28-30行:创建
/transactions/new
,这是一个POST
请求,因为我们将向其发送数据。 - 第32-38行:创建
/chain
,返回完整的区块链。 - 第40-41行:在端口5000上运行服务器。
交易
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向块添加交易的类方法,因此其余方法很简单。让我们编写添加交易的函数:
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
采矿
我们的挖掘终点是魔术发生的地方,而且很容易。它必须做三件事:
- 计算工作量证明。
- 通过添加授予我们1个硬币的交易来奖励矿工(我们)。
- 通过将新块添加到链中来构造新块。
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
请注意,挖掘块的接收者是我们节点的地址。我们在这里所做的大部分工作都只是与Blockchain类的方法进行交互。此时,我们已经完成了,并且可以开始与我们的区块链进行交互。
第3步:与我们的区块链交互
你可以使用普通的旧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/ (Press CTRL+C to quit)
让我们通过向 http://localhost:5000/mine
发出 GET
请求来尝试挖掘一个块:
让我们通过向 http://localhost:5000/transactions/new
发出 POST
请求来创建一个新交易,其中包含我们的交易结构的主体:
如果你不使用Postman,那么你可以使用cURL进行等效请求:
$ curl -X POST -H "Content-Type: application/json" -d '{ "sender": "d4ee26eee15148ee92c6cd394edd974e", "recipient": "someone-other-address", "amount": 5 }' "http://localhost:5000/transactions/new"
我重新启动了我的服务器,并开采了两个区块,共计3个。让我们通过请求检查整个 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 }
第4步:达成共识
这很酷。我们有一个基本的区块链接受交易并允许我们挖掘新的区块。但区块链的重点在于它们应该是去中心化的。如果它们是去中心化的,我们究竟如何确保它们都反映出同一条链?这被称为共识问题,如果我们想在网络中使用多个节点,我们必须实施共识算法。
注册新节点
在我们实现共识算法之前,我们需要一种方法让节点了解网络上的相邻节点。我们网络上的每个节点都应该保留网络上其他节点的注册表。因此,我们需要更多的端点:
/nodes/register /nodes/resolve
我们需要修改Blockchain的构造函数并提供注册节点的方法,一种向网络添加相邻节点的方法:
... 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: <str> Address of node. Eg. 'http://192.168.0.5:5000' :return: None """ parsed_url = urlparse(address) self.nodes.add(parsed_url.netloc)
请注意,我们使用 set()
来保存节点列表。这是一种确保添加新节点是幂等的廉价方法,这意味着无论我们添加特定节点多少次,它都只出现一次。
实施共识算法
如上所述,冲突是指一个节点与另一个节点具有不同的链。要解决此问题,我们将制定最长有效链具有权威性的规则。换句话说,网络上最长的链是事实上的链。使用此算法,我们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: <list> A blockchain :return: <bool> 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: <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
第一种方法 valid_chain()
负责通过循环遍历每个块并验证hash和证明来检查链是否有效。
resolve_conflicts()
是一种循环遍历所有相邻节点,下载其链并使用上述方法验证它们的方法。如果找到一个有效链,其长度大于我们的,我们将替换我们的。
让我们将两个端点注册到我们的API,一个用于添加相邻节点,另一个用于解决冲突:
@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,你可以根据需要获取不同的计算机,并在网络上启动不同的节点。或者在同一台机器上使用不同的端口启动进程。我在我的机器上,在另一个端口上旋转另一个节点,并将其注册到我当前的节点。因此,我有两个节点: http://localhost:5000
和 http://localhost:5001
。
然后我在节点2上挖掘了一些新块,以确保链更长。之后,我在节点1上调用了 GET/nodes/resolve
,其中链被共识算法取代:
这是一个warp……去找一些朋友一起帮助测试你的区块链。
我希望这能激发你创造新事物。我对Cryptocurrencies感到欣喜若狂,因为我相信Blockchains会迅速改变我们对经济,政府和记录保存的看法。
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