Python实现简单的区块链,实现共识算法、Merkle Tree(默克尔树)、冲突解决、添加交易等功能

Python实现简单的区块链

记录自己假期所学相关内容
文章中的内容,开源代码地址见文末。

文章目录

  • Python实现简单的区块链
    • 1、分模块实现简单的单节点区块链
      • 1.1 Transaction类
      • 1.2 DaDaMessage类
      • 1.3 Block类
      • 1.4 Dada_BlockCoin类
      • 1.5 主函数BlockChainApp类
      • 1.6 主函数类中实现了可视化界面,以下为演示效果
    • 2、网络共识区块链编程实现
      • 2.1 DaDaCoinBlockChain类
      • 2.2 flask框架部分
      • 2.3 初始化三个节点,分别模拟网络中的三个矿工
      • 2.4 效果演示
    • 3、其他

1、分模块实现简单的单节点区块链

1.1 Transaction类

class Transaction:
    def __init__(self,
                 payer,  # 付款方
                 r ecer,  # 收款方
                 money):  # 数字货币的数额
        self.payer = payer
        self.recer = recer
        self.money = money
        self.timestamp = datetime.datetime.now()  # 交易时间

    def __repr__(self):
        return str(self.payer) + " pays " + str(self.recer) + \
               " " + str(self.money) + " " + str(self.timestamp)

1.2 DaDaMessage类

class DaDaMessage:  # 交易记录类
    def __init__(self, data):
        self.hash = None  # 自身的哈希
        self.prev_hash = None  # 上一个信息记录的哈希
        self.timestamp = datetime.datetime.now()  # 交易时间
        self.data = data  # 交易信息
        self.payload_hash = self._hash_payload()  # 交易后的哈希

    def _hash_payload(self):  # 对于交易时间与交易数据进行哈希计算
        return hashlib.sha256((str(self.timestamp) + str(self.data)).encode()).hexdigest()

    def _hash_message(self):  # 对于交易进行锁定
        return hashlib.sha256((str(self.prev_hash) + str(self.payload_hash)).encode()).hexdigest()

    def seal(self):  # 密封
        self.hash = self._hash_message()  # 对应数据锁定,对于交易前的链锁定

    def validate(self):  # 验证
        if self.payload_hash != self._hash_payload():  # 判断是否有人修改
            raise InvalidMessage("交易数据与时间被修改" + str(self))
        if self.hash != self._hash_message():  # 判断消息链
            raise InvalidMessage("交易的哈希链接被修改" + str(self))
        return "数据正常" + str(self)

    def __repr__(self):  # 返回对象的基本信息
        mystr = "hash:{}, prev_hash:{}, data:{}".format(self.hash, self.prev_hash, self.data)
        return mystr

    def link(self, Message):
        self.prev_hash = Message.hash  # 链接

1.3 Block类

class Block:
    def __init__(self, *args):  # 初始化
        self.messageList = []  # 存储多个交易记录,存放区块
        self.timestamp = None  # 存储多个记录最终锁定的时间
        self.hash = None  # 当前的哈希散列
        self.prev_hash = None  # 上一块的哈希散列
        if args:
            for arg in args:
                self.add_message(arg)
                # self.messagelist.append(arg)

    def add_message(self, message):  # 增加交易信息
        # 区分第一条与后面多条,是否需要链接
        if len(self.messageList) > 0:
            message.link(self.messageList[-1])  # 链接
        message.seal()  # 密封
        message.validate()  # 校验
        self.messageList.append(message)  # 追加记录

    def link(self, block):  # 区块链链接
        self.prev_hash = block.hash

    def seal(self):  # 密封
        self.timestamp = datetime.datetime.now()  # 密封确定当前时间
        self.hash = self._hash_block()  # 密封当前的哈希值

    def _hash_block(self):  # 密封 上一块哈希,时间线,交易记录的最后一个
        if len(self.messageList) > 0:
            return hashlib.md5((str(self.prev_hash) +
                                str(self.timestamp) +
                                str(self.messageList[-1].hash)).encode("utf-8")).hexdigest()
        # else:
        #     return hashlib.sha256((str(self.prev_hash) +
        #                            str(self.timestamp) +
        #                            str(0)).encode("utf-8")).hexdigest()

    def validate(self):  # 校验
        for i, message in enumerate(self.messageList):  # 校验每一个交易记录
            message.validate()  # 校验每一条
            if i > 0 and message.prev_hash != self.messageList[i - 1].hash:
                raise InvalidBlock("无效block,交易记录被修改为在第{}条记录".format(i) + str(self))
        #         print("无效block,交易记录被修改为在第{}条记录".format(i))
        #         return str(self) + "数据NO"
        return "   " + str(self) + "  数据OK"

    def __repr__(self):  # 类的对象描述
        # return "money block = hash : {}, pre_hash : {}, len : {}, time : {}".\
        #     format(self.hash, self.prev_hash, len(self.messageList), self.timestamp)
        return "money block \n hash : {} \n pre_hash : {} \n len : {} \n time : {}". \
            format(self.hash, self.prev_hash, len(self.messageList), self.timestamp)

1.4 Dada_BlockCoin类

class Dada_BlockCoin:  # 区块链
    def __init__(self):  # 初始化
        self.blockList = []

    def add_block(self, block):  # 增加区块
        if (len(self.blockList) > 0):
            block.prev_hash = self.blockList[-1].hash  # 区块链的哈希
        block.seal()  # 密封
        block.validate()  # 校验
        self.blockList.append(block)  # 增加区块

    def validate(self):  # 校验
        for i, block in enumerate(self.blockList):
            try:
                block.validate()
            except InvalidBlock as e:
                raise InvalidBlockCoin("区块校验错误,区块索引{}".format(i))
            except InvalidMessage as e:
                print(e)

    def __repr__(self):  # 字符串格式化
        return "Dada_BlockCoin : {}".format(len(self.blockList))  # 获取长度

1.5 主函数BlockChainApp类

class BlockChainApp:
    def __init__(self, root):
        self.root = root
        self.root.title("区块链可视化")
        self.blockchain = Dada_BlockCoin()
        self.current_block_transactions = []
        self.selected_block_index = None

        # 添加滚动条
        self.canvas_frame = tk.Frame(root)
        self.canvas_frame.pack(expand=tk.YES, fill=tk.BOTH)

        self.scrollbar_x = tk.Scrollbar(self.canvas_frame, orient=tk.HORIZONTAL)
        self.scrollbar_x.pack(side=tk.BOTTOM, fill=tk.X)

        self.scrollbar_y = tk.Scrollbar(self.canvas_frame)
        self.scrollbar_y.pack(side=tk.RIGHT, fill=tk.Y)

        # 区块链信息显示框
        self.canvas = tk.Canvas(self.canvas_frame, width=800, yscrollcommand=self.scrollbar_y.set,
                                xscrollcommand=self.scrollbar_x.set)
        self.canvas.pack(side=tk.LEFT, expand=tk.YES, fill=tk.BOTH)

        self.scrollbar_x.config(command=self.canvas.xview)
        self.scrollbar_y.config(command=self.canvas.yview)

        self.canvas.config(scrollregion=self.canvas.bbox(tk.ALL))

        # 交易信息输入框
        self.payer_label = tk.Label(root, text="付款方:")
        self.payer_label.pack()
        self.payer_entry = tk.Entry(root)
        self.payer_entry.pack()

        self.recer_label = tk.Label(root, text="收款方:")
        self.recer_label.pack()
        self.recer_entry = tk.Entry(root)
        self.recer_entry.pack()

        self.money_label = tk.Label(root, text="金额:")
        self.money_label.pack()
        self.money_entry = tk.Entry(root)
        self.money_entry.pack()

        # 添加交易按钮
        self.add_transaction_btn = tk.Button(root, text="添加交易", command=self.add_transaction)
        self.add_transaction_btn.pack()

        # 添加区块按钮
        self.add_block_btn = tk.Button(root, text="添加区块", command=self.add_block)
        self.add_block_btn.pack()

        # 模拟篡改按钮
        self.tamper_block_btn = tk.Button(root, text="模拟篡改数据", command=self.tamper_block)
        self.tamper_block_btn.pack()

        # 区块查询框
        self.query_frame = tk.Frame(root)
        self.query_frame.pack()

        self.query_label = tk.Label(self.query_frame, text="查询区块索引:")
        self.query_label.pack(side=tk.LEFT)

        self.query_entry = tk.Entry(self.query_frame)
        self.query_entry.pack(side=tk.LEFT)

        self.query_btn = tk.Button(self.query_frame, text="查询区块", command=self.query_block)
        self.query_btn.pack(side=tk.LEFT)

        # 交易信息显示框
        self.transaction_info_text = tk.Text(root, wrap=tk.WORD, width=60, height=10)
        self.transaction_info_text.pack()

    def add_transaction(self):
        payer = self.payer_entry.get()
        recer = self.recer_entry.get()
        money = self.money_entry.get()

        try:
            money = int(money)
        except ValueError:
            messagebox.showerror("错误", "金额必须为整数")
            return

        if payer and recer and money > 0:
            transaction = Transaction(payer, recer, money)
            self.current_block_transactions.append(DaDaMessage(transaction))
            self.update_blockchain_info()
            messagebox.showinfo("成功", "交易添加成功")
        else:
            messagebox.showerror("错误", "请输入有效的交易信息")

    def add_block(self):
        if self.current_block_transactions:
            block = Block(*self.current_block_transactions)
            self.blockchain.add_block(block)
            self.current_block_transactions = []
            self.update_blockchain_info()
            messagebox.showinfo("成功", "区块添加成功")
        else:
            messagebox.showerror("错误", "当前区块没有交易信息")

    def tamper_block(self):
        try:
            block_index = int(input("请输入要篡改的区块索引:"))
        except ValueError:
            messagebox.showerror("错误", "请输入有效的区块索引")
            return

        if 0 <= block_index < len(self.blockchain.blockList):
            block = self.blockchain.blockList[block_index]
            if len(block.messageList) > 0:
                # 模拟篡改第一条交易信息
                block.messageList[0].data = "篡改后的交易信息"

                try:
                    self.blockchain.validate()
                except InvalidBlockCoin as e:
                    messagebox.showerror("篡改数据", "区块链数据已被篡改,篡改发生在第{}个区块".format(e.args[0]))
                except InvalidMessage as e:
                    messagebox.showerror("篡改数据", "区块链数据已被篡改,篡改发生在第{}个区块的第{}条交易信息".format(e.args[0][0], e.args[0][1]))
                else:
                    messagebox.showinfo("篡改数据", "区块链数据未被篡改")
                finally:
                    self.update_blockchain_info()
            else:
                messagebox.showerror("错误", "区块中没有交易信息,无法篡改")
        else:
            messagebox.showerror("错误", "区块索引超出范围")

    def query_block(self):
        try:
            block_index = int(self.query_entry.get())
        except ValueError:
            messagebox.showerror("错误", "请输入有效的区块索引")
            return

        if 0 <= block_index < len(self.blockchain.blockList):
            block = self.blockchain.blockList[block_index]
            transactions = "\n".join(str(msg.data) for msg in block.messageList)
            self.transaction_info_text.delete("1.0", tk.END)
            self.transaction_info_text.insert(tk.END, transactions)
            self.selected_block_index = block_index
            messagebox.showinfo("成功", "查询成功")
        else:
            messagebox.showerror("错误", "区块索引超出范围")

    def update_blockchain_info(self):
        self.canvas.delete("all")  # 清空画布上的内容
        x, y = 20, 50  # 区块链的初始位置
        block_width, block_height = 250, 150  # 区块的宽度和高度

        for block in self.blockchain.blockList:
            self.canvas.create_rectangle(x, y, x + block_width, y + block_height, outline="black")  # 绘制区块框
            self.canvas.create_text(x + block_width // 2, y + block_height // 2, text=str(block))  # 显示区块信息

            if block.prev_hash:  # 绘制区块之间的连接线
                prev_x, prev_y = x - block_width, y + block_height // 2
                self.canvas.create_line(prev_x, prev_y, x, y + block_height // 2, fill="red")

            x += block_width + 50  # 每个区块之间留一定的间隔

        # 设置Canvas可滚动范围
        self.canvas.config(scrollregion=self.canvas.bbox(tk.ALL))


if __name__ == "__main__":
    root = tk.Tk()
    app = BlockChainApp(root)
    app.root.mainloop()

1.6 主函数类中实现了可视化界面,以下为演示效果

  • 初始化界面

Python实现简单的区块链,实现共识算法、Merkle Tree(默克尔树)、冲突解决、添加交易等功能_第1张图片

  • 添加交易后添加区块
    Python实现简单的区块链,实现共识算法、Merkle Tree(默克尔树)、冲突解决、添加交易等功能_第2张图片

在上述区块链可视化界面中显示对应区块,并用红色连线连接,表示区块链的哈希连接。

  • 查询区块信息
    Python实现简单的区块链,实现共识算法、Merkle Tree(默克尔树)、冲突解决、添加交易等功能_第3张图片
    输入区块对应的索引(从0开始),即可查询对应区块的交易信息

2、网络共识区块链编程实现

2.1 DaDaCoinBlockChain类

class DaDaCoinBlockChain:
    def __init__(self):  # 初始化
        self.current_transactions = []  # 交易列表
        self.chain = []  # 区块链管理多个区块
        self.nodes = set()  # 保存网络中其他节点
        self.new_block(previous_hash="1", proof=100)  # 创建创世区块

    def new_block(self,
                  proof: int,  # 确定proof为int类型
                  previous_hash: Optional[str]  # 上一块的哈希类型
                  ) -> Dict[str, Any]:  # 创建一个区块,返回一个字典数据类型
        block = {
            "index": len(self.chain) + 1,  # 索引
            "timestamp": time.time(),  # 当前时间
            "transaction": self.current_transactions,  # 交易记录
            "proof": proof,  # 工作量证明
            "previous_hash": previous_hash or self.hash(self.chain[-1])  # 前一区块哈希
        }
        self.current_transactions = []  # 交易记录加入区块之后清空
        self.chain.append(block)  # 区块加入区块链
        return block

    def new_transactions(self, sender: str, recipient: str, amount) -> int:  # 创建一个交易
        self.current_transactions.append({
            "sender": sender,  # 付款方
            "recipient": recipient,  # 收款方
            "amount": amount  # 数量
        })
        return self.last_block["index"] + 1  # 索引标记交易数量

    @property
    def last_block(self) -> Dict[str, Any]:  # 取得最后一个区块
        return self.chain[-1]

    @staticmethod
    def hash(block: Dict[str, any]) -> str:  # 哈希加密,传递一个字典,返回字符串
        blockString = json.dumps(block, sort_keys=True).encode()  # 编码
        return hashlib.sha256(blockString).hexdigest()

    def proof_of_work(self, last_proof: int) -> int:  # 工作量证明,挖矿过程
        proof = 0
        while self.valid_proof(last_proof, proof) is False:
            proof += 1
        return proof

    @staticmethod  # 第N个区块依赖于N-1个区块,简单挖矿
    def valid_proof(last_proof: int, proof: int) -> bool:  # 验证证明
        guess = f'{last_proof * proof}'.encode()
        guess_hash = hashlib.sha256(guess).hexdigest()
        # print(str(guess_hash))
        return guess_hash[-4:] == "1234"

    def valid_chain(self, chain: List[Dict[str, Any]]) -> bool:  # 区块链校验
        # List[Dict[str, Any]]是一个列表,列表的每个元素都是字典
        last_block = chain[0]  # 第一个区块
        curr_index = 1  # 当前的第一个索引
        while curr_index < len(chain):
            block = chain[curr_index]  # 当前区块
            # 哈希校验,校验区块链的链接
            if block["previous_hash"] != self.hash(last_block):
                return False
            # 工作量校验,挖矿的工作量校验
            if not self.valid_proof(last_block["proof"], block["proof"]):
                return False
            last_block = block  # 轮询
            curr_index += 1  # 索引自增

        return True

    def register_node(self, addr: str) -> None:  # 加入网络的其他节点,用于更新
        now_url = urlparse(addr)  # 解析
        self.nodes.add(now_url.netloc)  # 增加网络节点

    def resolve_conflicts(self) -> bool:  # 共识算法
        # 网络中的多个节点,取出最长的
        neighbours = self.nodes  # 取得所有的节点
        new_chain = None  # 新的区块链
        max_length = len(self.chain)  # 当前的区块链长度
        for node in neighbours:
            response = requests.get(f"http://{node}/chain")  # 访问网络节点
            if response.status_code == 200:
                length = response.json()["length"]  # 取出长度
                chain = response.json()["chain"]  # 取出区块链
                # 如果当前区块链比我长并且经得起校验,那么就更新
                if length > max_length and self.valid_chain(chain):
                    max_length = length
                    new_chain = chain  # 保存长度与区块链
        if new_chain:
            self.chain = new_chain  # 替换区块链
            return True
        return False

2.2 flask框架部分

dadacoin = DaDaCoinBlockChain()  # 创建一个网络节点
node_id = str(uuid4()).replace("-", "")  # 节点替换,生成密钥
print("当前钱包地址:", node_id)
app = Flask(__name__)  # 初始化flask框架


@app.route("/")
def index_page():
    return "你好,欢迎来到达达币系统!"


@app.route("/chain")  # 查看所有的区块链
def index_chain():
    response = {
        "chain": dadacoin.chain,  # 区块链
        "length": len(dadacoin.chain)  # 区块链长度
    }
    return jsonify(response), 200


@app.route("/mine")  # 挖矿
def index_mine():
    last_block = dadacoin.last_block  # 取得最后一个区块
    last_proof = last_block["proof"]  # 取得工作量证明
    proof = dadacoin.proof_of_work(last_proof)  # 挖矿计算

    # 系统奖励比特币,挖矿产生交易
    dadacoin.new_transactions(
        sender="0",  # 0代表系统奖励
        recipient=node_id,  # 当前钱包地址
        amount=10  # 奖励数量
    )
    block = dadacoin.new_block(proof, None)  # 增加一个区块
    response = {
        "message": "新的区块创建",
        "index": block["index"],  # 仓建的索引
        "transaction": block["transaction"],  # 交易
        "proof": block["proof"],  # 工作量证明
        "previous_hash": block["previous_hash"]  # 上一块的哈希


    }
    return jsonify(response), 200


@app.route("/new_transaction", methods=["POST"])  # 创建一个新的交易
def new_transaction():
    values = request.get_json()  # 抓取网络传输的信息
    required = ["sender", "recipient", "amount"]
    if not all(key in values for key in required):
        return "数据不完整", 400
    index = dadacoin.new_transactions(values["sender"],
                                      values["recipient"],
                                      values["amount"])  # 新增一个交易

    response = {
        "message": f"交易加入到区块{index}",
    }
    return jsonify(response), 200


@app.route("/new_node", methods=["POST"])   # 增加网络节点
def new_node():
    values = request.get_json() # 获取json字符串
    nodes = values.get("nodes") # 获取所有节点
    if nodes is None:
        return "节点为空", 400
    for node in nodes:
        dadacoin.register_node(node)    # 增加网络节点

    response = {
        "message": "网络节点已经增加",
        "nodes": list(dadacoin.nodes)   # 查看所有节点
    }
    return jsonify(response), 200


@app.route("/node_refresh")
def node_refresh():
    replaced = dadacoin.resolve_conflicts() # 共识算法进行最长替换
    message = ""
    if replaced:
        message += "区块链已经被替换为最长"
    else:
        message += "当前区块链已经是最长无需替换"

    response = {
        "message": message,
        "new--chain": dadacoin.chain
    }
    return jsonify(response), 200

2.3 初始化三个节点,分别模拟网络中的三个矿工

if __name__ == '__main__':
    app.run("127.0.0.1", 5000)

if __name__ == '__main__':
    app.run("127.0.0.1", 5001)

if __name__ == '__main__':
    app.run("127.0.0.1", 5002)

2.4 效果演示

分别启动三个矿工节点

  • 初始化界面
    Python实现简单的区块链,实现共识算法、Merkle Tree(默克尔树)、冲突解决、添加交易等功能_第4张图片
  • 初次访问chain路径时,显示创世区块
    Python实现简单的区块链,实现共识算法、Merkle Tree(默克尔树)、冲突解决、添加交易等功能_第5张图片
  • 访问mine路径时,进行挖矿操作,挖出新的区块,矿工获得出块奖励
    Python实现简单的区块链,实现共识算法、Merkle Tree(默克尔树)、冲突解决、添加交易等功能_第6张图片
  • 添加交易
    使用postman进行操作
    Python实现简单的区块链,实现共识算法、Merkle Tree(默克尔树)、冲突解决、添加交易等功能_第7张图片
    此时仅仅是将交易添加到区块,还没有挖出区块3,再次进行mine操作,可以看到区块3中除了出块奖励,还有此次交易
    Python实现简单的区块链,实现共识算法、Merkle Tree(默克尔树)、冲突解决、添加交易等功能_第8张图片
  • 网络共识,解决分叉冲突
    此时模拟节点1挖出6个区块,节点2挖出4个区块,节点3挖出3个区块。将节点1和节点2的信息同步给区块3,此时根据最长链原则,应该更新为节点1的6个区块。
    使用postman添加节点
    Python实现简单的区块链,实现共识算法、Merkle Tree(默克尔树)、冲突解决、添加交易等功能_第9张图片
    刷新节点信息
    Python实现简单的区块链,实现共识算法、Merkle Tree(默克尔树)、冲突解决、添加交易等功能_第10张图片
    此时节点3已经被最长链代替。

3、其他

开源代码地址: Gitee仓库
b站参考视频:参考视频

你可能感兴趣的:(我的小成就,区块链,python,共识算法)