Python构建区块链的方法详解

区块链

区块链是在计算机网络的节点之间共享数据的分类账(分布式数据库)。作为数据库，区块链以电子格式储存信息。区块链的创新之处在于它保证了数据记录的安全性和真实性，可信性（不需要没有可信任的第三方）。

区块链和典型数据库的区别是数据结构。区块链以block的方式收集信息。

block

block是一种能永久记录加密货币交易数据（或其他用途）的一种数据结构。类似于链表。一个block记录了一些火所有尚未被验证的最新交易。验证数据后，block将关闭，之后会创建一个新的block来输入和验证新的交易。因此，一旦写入，永久不能更改和删除。

• block是区块链中存储和加密信息的地方

• block由长数字标识，其中包括先前加密块的加密交易信息和新的交易信息

• 在创建之前，block以及其中的信息必须由网络验证

以下是一个简单的例子：

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

目标

区块链的目标是允许数字信息被记录和分发，但不能编辑。通过这种方式，区块链成为了不可变分类账或无法更改、删除和销毁的交易记录的基础。

去中心化

想象一下，一家公司拥有10000台服务器，用于维护一个包含所有客户信息的数据库。公司的所有服务器都在一个仓库中，可以完全控制每台服务器。这就提供了单点故障。如果那个地方停电了怎么办？如果他的网络连接被切断了怎么办？在任何情况下，数据都会丢失或损坏。

构建

区块链类

我们将创建一个BlockChain类，构造函数创建一个空列表来存储区块链，再创建一个空列表来存储交易。创建block_chain.py

# block_chain.py
class Blockchain:
   def __init__(self) -> None:
       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

添加交易

我们需要一种将交易添加到区块的方法。new_transaction负责这个

class Blockchain(object):
   ...
   def new_transaction(self, sender, recipient, amount) -> int:
       self.current_transactions.append({
           'sender': sender,
           'recipient': recipient,
           'amount': amount,
       })
       return self.last_block['index'] + 1

在 new_transaction 将交易添加到列表后，它返回交易将被添加到的块的索引——下一个要挖掘的块。这将在以后对提交交易的用户有用。

创建新blocks

当我们的区块链被实例化时，我们需要为它播种一个创世块——一个没有前辈的块。我们还需要向我们的创世块添加一个“证明”，这是挖掘的结果（或工作量证明）。除了在我们的构造函数中创建创世块之外，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:
   def __init__(self) -> None:
       self.chain = []
       self.current_transactions = []
       # Create the genesis block
       self.new_block(previous_hash=1, proof=100)
   def new_block(self, proof, previous_hash=None) -> dict:
       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) -> int:
       self.current_transactions.append(
           {
               'sender': sender,
               'recipient': recipient,
               'amount': amount,
           }
       )
       return self.last_block['index'] + 1
   @property
   def last_block(self) -> dict:
       # Returns the last Block in the chain
       return self.chain[-1]
   @staticmethod
   def hash(block) -> str:      
       block_string = json.dumps(block, sort_keys=True).encode()
       return hashlib.sha256(block_string).hexdigest()

到这里，我们几乎完成了代表我们的区块链。但此时，你一定想知道新区块是如何创建、锻造或开采的。

POW

工作量证明算法 (PoW) 是在区块链上创建或挖掘新块的方式，它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被网络上的任何人验证。PoW广泛用于加密货币挖掘，用于验证交易和挖掘新代币。由于PoW，比特币和其他加密货币交易可以以安全的方式进行点对点处理，而无需受信任的第三方。

让我们实现一个类似的算法：

class Blockchain(object):
   def proof_of_work(self, last_proof) -> int:
       proof = 0
       while self.valid_proof(last_proof, proof) is False:
           proof += 1
       return proof
   @staticmethod
   def valid_proof(last_proof, proof) -> bool:
       guess = f'{last_proof}{proof}'.encode()
       guess_hash = hashlib.sha256(guess).hexdigest()
       return guess_hash[:4] == '0000'

API

为了使区块链能够交互，我们需要一个将其置于web服务器上。这里我们是用Flask框架。

如果没有安装，需要安装flask

pip install flask

我们的服务器将在我们的区块链网络中形成单一节点,在同级目录下创建一个app.py:

from uuid import uuid4
from time import time
from textwrap import dedent
from flask import Flask, jsonify, request
from block_chain import Blockchain
# 实例化应用
app = Flask(__name__)
# 创建随机节点名称
node_identifier = str(uuid4()).replace('_', '')
# 实例化block_chain类
block_chain = Blockchain()
# 创建/mine端点
@app.route('/mine', methods=['GET'])
def mine():
   block_chain.new_transaction(
       sender="0",
       recipient=node_identifier,
       amount=1,
   )
   last_block = block_chain.last_block
   last_proof = last_block['proof']
   proof = block_chain.proof_of_work(last_proof)
   previous_hash = block_chain.hash(last_block)
   block = block_chain.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
@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': block_chain.chain,
       'length': len(block_chain.chain),
   }
   return jsonify(response), 200
# 修改端口号
if __name__ == '__main__':
   app.run(host='0.0.0.0', port=5000)

然后运行

flask run

通过api软件（本次使用的是api fox）来发送请求：

注册新节点

区块链的全部意义在于它们应该去中心化。如果想要网络中有多个节点，必须采用共识算法。在我们可以实施共识算法之前，我们需要一种方法让节点知道网络上的相邻节点。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：

...
from urllib.parse import urlparse
...
class Blockchain:
   def __init__(self) -> None:
       ...
       self.nodes = set()
       ...
   def register_node(self, address) -> None:    
       parsed_url = urlparse(address)
       self.nodes.add(parsed_url.netloc)

冲突

冲突是指一个节点与另一个节点有不同的链。为了解决这个问题，我们将制定最长有效链为权威的规则。使用此算法，我们在网络中的节点之间达成共识。

...
import requests
class Blockchain:
   ...
   def valid_chain(self, chain):
       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

第一个方法 valid_chain() 负责通过遍历每个块并验证哈希和证明来检查链是否有效。resolve_conflicts() 是一种循环遍历我们所有相邻节点、下载它们的链并使用上述方法验证它们的方法。如果找到一个有效的链，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

在这一点上，如果你愿意，你可以拿一台不同的机器，并在你的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。比如创建两个端口5000和6000来进行尝试。

来源：https://blog.csdn.net/majiayu000/article/details/128029383