用Django实现一个可运行的区块链应用
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。
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: Address of the Sender
:param recipient: Address of the Recipient
:param amount: Amount
:return: 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
}
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
# 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', 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。
本文作者
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作者：布道，互联网运维负责人。负责公司和电商平台运维技术工作，带领团队在公司推行DevOps，践行“自动化、平台化、可视化”运维理念。目前主要关注几个方面：1.平台开发，作出更好用的工具平台提供开发同学使用，赋能开发提高提高效率；2.专家服务，例如：架构，Docker，私有云，CI/CD，容灾，性能，容量，安全等等；3.新技术，关注互联网新技术，不断更新和迭代运维技术。
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