用Django實(shí)現(xiàn)一個(gè)可運(yùn)行的區(qū)塊鏈應(yīng)用

更新時(shí)間：2018年03月08日 15:32:29 作者：開發(fā)運(yùn)維

這篇文章主要介紹了用Django實(shí)現(xiàn)一個(gè)可運(yùn)行的區(qū)塊鏈應(yīng)用,需要的朋友可以參考下

對數(shù)字貨幣的崛起感到新奇的我們，并且想知道其背后的技術(shù)——區(qū)塊鏈?zhǔn)窃鯓訉?shí)現(xiàn)的。

但是完全搞懂區(qū)塊鏈并非易事，我喜歡在實(shí)踐中學(xué)習(xí)，通過寫代碼來學(xué)習(xí)技術(shù)會掌握得更牢固。通過構(gòu)建一個(gè)區(qū)塊鏈可以加深對區(qū)塊鏈的理解。

準(zhǔn)備工作

本文要求讀者對Python有基本的理解，能讀寫基本的Python，并且需要對HTTP請求有基本的了解。

我們知道區(qū)塊鏈?zhǔn)怯蓞^(qū)塊的記錄構(gòu)成的不可變、有序的鏈結(jié)構(gòu)，記錄可以是交易、文件或任何你想要的數(shù)據(jù)，重要的是它們是通過哈希值（hashes）鏈接起來的。

環(huán)境準(zhǔn)備

環(huán)境準(zhǔn)備，確保已經(jīng)安裝Python3.5, pip , django, requests，urllib，json，hashlib

安裝方法：

pip install django requests

同時(shí)還需要一個(gè)HTTP客戶端，比如Postman，cURL或其它客戶端，本文以Postman為例。

開始創(chuàng)建Blockchain

通過django-admin startproject block創(chuàng)建一個(gè)block的項(xiàng)目，在項(xiàng)目中創(chuàng)建一個(gè)demo項(xiàng)目django-admin startproject demo ，目錄結(jié)構(gòu)：

Blockchain類

在views中創(chuàng)建一個(gè)Blockchain類，在構(gòu)造函數(shù)中創(chuàng)建了兩個(gè)列表，一個(gè)用于儲存區(qū)塊鏈，一個(gè)用于儲存交易。

以下是Blockchain類的框架：

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類用來管理鏈條，它能存儲交易，加入新塊等，下面我們來進(jìn)一步完善這些方法。

塊結(jié)構(gòu)

每個(gè)區(qū)塊包含屬性：索引（index），Unix時(shí)間戳（timestamp），交易列表（transactions），工作量證明（稍后解釋）以及前一個(gè)區(qū)塊的Hash值。

以下是一個(gè)區(qū)塊的結(jié)構(gòu)：

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

到這里，區(qū)塊鏈的概念就清楚了，每個(gè)新的區(qū)塊都包含上一個(gè)區(qū)塊的Hash，這是關(guān)鍵的一點(diǎn)，它保障了區(qū)塊鏈不可變性。如果攻擊者破壞了前面的某個(gè)區(qū)塊，那么后面所有區(qū)塊的Hash都會變得不正確。不理解的話，慢慢消化，可參考區(qū)塊鏈記賬原理

加入交易

接下來我們需要添加一個(gè)交易，來完善下new_transaction方法

class Blockchain(object):
  ...
  def new_transaction(self, sender, recipient, amount):
    """
    生成新交易信息，信息將加入到下一個(gè)待挖的區(qū)塊中
    :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

方法向列表中添加一個(gè)交易記錄，并返回該記錄將被添加到的區(qū)塊(下一個(gè)待挖掘的區(qū)塊)的索引，等下在用戶提交交易時(shí)會有用。

創(chuàng)建新塊

當(dāng)Blockchain實(shí)例化后，我們需要構(gòu)造一個(gè)創(chuàng)世塊（沒有前區(qū)塊的第一個(gè)區(qū)塊），并且給它加上一個(gè)工作量證明。

每個(gè)區(qū)塊都需要經(jīng)過工作量證明，俗稱挖礦，稍后會繼續(xù)講解。

為了構(gòu)造創(chuàng)世塊，我們還需要完善new_block(), new_transaction() 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()

通過上面的代碼和注釋可以對區(qū)塊鏈有直觀的了解，接下來我們看看區(qū)塊是怎么挖出來的。

理解工作量證明

新的區(qū)塊依賴工作量證明算法（PoW）來構(gòu)造。PoW的目標(biāo)是找出一個(gè)符合特定條件的數(shù)字，這個(gè)數(shù)字很難計(jì)算出來，但容易驗(yàn)證。這就是工作量證明的核心思想。

為了方便理解，舉個(gè)例子：

假設(shè)一個(gè)整數(shù) x 乘以另一個(gè)整數(shù) y 的積的 Hash 值必須以 0 結(jié)尾，即 hash(x * y) = ac23dc…0。設(shè)變量 x = 5，求 y 的值？

用Python實(shí)現(xiàn)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)

在比特幣中，使用稱為Hashcash的工作量證明算法，它和上面的問題很類似。礦工們?yōu)榱藸帄Z創(chuàng)建區(qū)塊的權(quán)利而爭相計(jì)算結(jié)果。通常，計(jì)算難度與目標(biāo)字符串需要滿足的特定字符的數(shù)量成正比，礦工算出結(jié)果后，會獲得比特幣獎勵(lì)。

當(dāng)然，在網(wǎng)絡(luò)上非常容易驗(yàn)證這個(gè)結(jié)果。

實(shí)現(xiàn)工作量證明

讓我們來實(shí)現(xiàn)一個(gè)相似PoW算法，規(guī)則是：尋找一個(gè)數(shù) p，使得它與前一個(gè)區(qū)塊的 proof 拼接成的字符串的 Hash 值以 4 個(gè)零開頭。

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"

衡量算法復(fù)雜度的辦法是修改零開頭的個(gè)數(shù)。使用4個(gè)來用于演示，你會發(fā)現(xiàn)多一個(gè)零都會大大增加計(jì)算出結(jié)果所需的時(shí)間。

現(xiàn)在Blockchain類基本已經(jīng)完成了，接下來使用HTTP requests來進(jìn)行交互。

Blockchain作為API接口

我們將使用Python django框架，這是一個(gè)輕量Web應(yīng)用框架，它方便將網(wǎng)絡(luò)請求映射到 Python函數(shù)，現(xiàn)在我們來讓來試一下：

我們將創(chuàng)建三個(gè)接口：

/transactions/new 創(chuàng)建一個(gè)交易并添加到區(qū)塊
/mine 告訴服務(wù)器去挖掘新的區(qū)塊
/chain 返回整個(gè)區(qū)塊鏈

創(chuàng)建節(jié)點(diǎn)

我們的“django web服務(wù)器”將扮演區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)。我們先添加一些框架代碼：

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路由節(jié)點(diǎn)：運(yùn)行服務(wù)

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),
]

運(yùn)行服務(wù)

python manage.py runserver 127.0.0.1:8000

發(fā)送交易

發(fā)送到節(jié)點(diǎn)的交易數(shù)據(jù)，結(jié)構(gòu)如下：

{
 "sender": "my address",
 "recipient": "someone else's address",
 "amount": 5
}

向服務(wù)添加一個(gè)交易

挖礦

挖礦正是神奇所在，它很簡單，做了一下三件事：

計(jì)算工作量證明PoW

通過新增一個(gè)交易授予礦工（自己）一個(gè)幣

構(gòu)造新區(qū)塊并將其添加到鏈中

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們自己的服務(wù)器節(jié)點(diǎn)，我們做的大部分工作都只是圍繞Blockchain類方法進(jìn)行交互。到此，我們的區(qū)塊鏈就算完成了，我們來實(shí)際運(yùn)行下

運(yùn)行區(qū)塊鏈

你可以使用cURL 或Postman 去和API進(jìn)行交互

讓我們通過請求 http://127.0.0.1:8000/mine 來進(jìn)行挖礦

在挖了兩次礦之后，就有3個(gè)塊了，通過請求 http://localhost:8000/chain 可以得到所有的塊信息。

{  "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（共識）

我們已經(jīng)有了一個(gè)基本的區(qū)塊鏈可以接受交易和挖礦。但是區(qū)塊鏈系統(tǒng)應(yīng)該是分布式的。既然是分布式的，那么我們究竟拿什么保證所有節(jié)點(diǎn)有同樣的鏈呢？這就是一致性問題，我們要想在網(wǎng)絡(luò)上有多個(gè)節(jié)點(diǎn)，就必須實(shí)現(xiàn)一個(gè)一致性的算法。

注冊節(jié)點(diǎn)

在實(shí)現(xiàn)一致性算法之前，我們需要找到一種方式讓一個(gè)節(jié)點(diǎn)知道它相鄰的節(jié)點(diǎn)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都需要保存一份包含網(wǎng)絡(luò)中其它節(jié)點(diǎn)的記錄。因此讓我們新增幾個(gè)接口：

/register 接收URL形式的新節(jié)點(diǎn)列表
/resolve 執(zhí)行一致性算法，解決任何沖突，確保節(jié)點(diǎn)擁有正確的鏈

我們修改下Blockchain的init函數(shù)并提供一個(gè)注冊節(jié)點(diǎn)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)

我們用 set 來儲存節(jié)點(diǎn)，這是一種避免重復(fù)添加節(jié)點(diǎn)的簡單方法。

實(shí)現(xiàn)共識算法

前面提到，沖突是指不同的節(jié)點(diǎn)擁有不同的鏈，為了解決這個(gè)問題，規(guī)定最長的、有效的鏈才是最終的鏈，換句話說，網(wǎng)絡(luò)中有效最長鏈才是實(shí)際的鏈。

我們使用一下的算法，來達(dá)到網(wǎng)絡(luò)中的共識

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

第一個(gè)方法 valid_chain() 用來檢查是否是有效鏈，遍歷每個(gè)塊驗(yàn)證hash和proof.

第2個(gè)方法 resolve_conflicts() 用來解決沖突，遍歷所有的鄰居節(jié)點(diǎn)，并用上一個(gè)方法檢查鏈的有效性，如果發(fā)現(xiàn)有效更長鏈，就替換掉自己的鏈

在url中添加兩個(gè)路由，一個(gè)用來注冊節(jié)點(diǎn)，一個(gè)用來解決沖突。

from demo import views
urlpatterns = [
  url(r'^register', views.register_nodes),
  url(r'^resolve', views.consensus),
]

你可以在不同的機(jī)器運(yùn)行節(jié)點(diǎn)，或在一臺機(jī)機(jī)開啟不同的網(wǎng)絡(luò)端口來模擬多節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)，這里在同一臺機(jī)器開啟不同的端口演示，在不同的終端運(yùn)行一下命令，就啟動了兩個(gè)節(jié)點(diǎn)： http://127.0.0.1:8000 和 http://127.0.0.1:8100

然后在節(jié)點(diǎn)8100節(jié)點(diǎn)上挖兩個(gè)塊，確保是更長的鏈，然后在節(jié)點(diǎn)8000節(jié)點(diǎn)上訪問接口/resolve ,這時(shí)節(jié)點(diǎn)8100的鏈會通過共識算法被節(jié)點(diǎn)8000節(jié)點(diǎn)的鏈取代。