用Python构建区块链

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:  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。