python區(qū)塊鏈實現(xiàn)簡版網(wǎng)絡(luò)

更新時間：2022年05月25日 14:42:18 作者：曉彬_

這篇文章主要為大家介紹了python區(qū)塊鏈實現(xiàn)簡版網(wǎng)絡(luò)的詳解，有需要的朋友可以借鑒參考下，希望能夠有所幫助，祝大家多多進(jìn)步，早日升職加薪

說明

本文根據(jù)https://github.com/liuchengxu/blockchain-tutorial的內(nèi)容，用python實現(xiàn)的，但根據(jù)個人的理解進(jìn)行了一些修改，大量引用了原文的內(nèi)容。文章末尾有"本節(jié)完整源碼實現(xiàn)地址"。

引言

到目前為止，我們所構(gòu)建的原型已經(jīng)具備了區(qū)塊鏈所有的關(guān)鍵特性：匿名，安全，隨機生成的地址；區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)存儲；工作量證明系統(tǒng)；可靠地存儲交易。盡管這些特性都不可或缺，但是仍有不足。能夠使得這些特性真正發(fā)光發(fā)熱，使得加密貨幣成為可能的，是網(wǎng)絡(luò)（network）。如果實現(xiàn)的這樣一個區(qū)塊鏈僅僅運行在單一節(jié)點上，有什么用呢？如果只有一個用戶，那么這些基于密碼學(xué)的特性，又有什么用呢？正是由于網(wǎng)絡(luò)，才使得整個機制能夠運轉(zhuǎn)和發(fā)光發(fā)熱。

你可以將這些區(qū)塊鏈特性認(rèn)為是規(guī)則（rule），類似于人類在一起生活，繁衍生息建立的規(guī)則，一種社會安排。區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)就是一個程序社區(qū)，里面的每個程序都遵循同樣的規(guī)則，正是由于遵循著同一個規(guī)則，才使得網(wǎng)絡(luò)能夠長存。類似的，當(dāng)人們都有著同樣的想法，就能夠?qū)⑷^攥在一起構(gòu)建一個更好的生活。如果有人遵循著不同的規(guī)則，那么他們就將生活在一個分裂的社區(qū)（州，公社，等等）中。同樣的，如果有區(qū)塊鏈節(jié)點遵循不同的規(guī)則，那么也會形成一個分裂的網(wǎng)絡(luò)。

重點在于：如果沒有網(wǎng)絡(luò)，或者大部分節(jié)點都不遵守同樣的規(guī)則，那么規(guī)則就會形同虛設(shè)，毫無用處！

區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)

區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)是去中心化的，這意味著沒有服務(wù)器，客戶端也不需要依賴服務(wù)器來獲取或處理數(shù)據(jù)。在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中，有的是節(jié)點，每個節(jié)點是網(wǎng)絡(luò)的一個完全（full-fledged）成員。節(jié)點就是一切：它既是一個客戶端，也是一個服務(wù)器。這一點需要牢記于心，因為這與傳統(tǒng)的網(wǎng)頁應(yīng)用非常不同。

區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)是一個 P2P（Peer-to-Peer，端到端）的網(wǎng)絡(luò)，即節(jié)點直接連接到其他節(jié)點。它的拓?fù)涫潜馄降?，因為在?jié)點的世界中沒有層級之分。下面是它的示意圖：

Business vector created by Dooder - Freepik.com

要實現(xiàn)這樣一個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點更加困難，因為它們必須執(zhí)行很多操作。每個節(jié)點必須與很多其他節(jié)點進(jìn)行交互，它必須請求其他節(jié)點的狀態(tài)，與自己的狀態(tài)進(jìn)行比較，當(dāng)狀態(tài)過時時進(jìn)行更新。

kademlia發(fā)現(xiàn)協(xié)議

kademlia是p2p的一種節(jié)點發(fā)現(xiàn)協(xié)議，其核心是通過計算節(jié)點之間的邏輯距離來發(fā)現(xiàn)附近節(jié)點以實現(xiàn)節(jié)點查找的收斂。

kademlia詳細(xì)介紹

簡化協(xié)議

這里我們?yōu)榱苏f明原理盡可能的簡化協(xié)議。我們只實現(xiàn)三種請求:

節(jié)點握手
獲取區(qū)塊數(shù)據(jù)
交易廣播為了方便，其中又將節(jié)點握手作為心跳發(fā)送，并根據(jù)心跳信息進(jìn)行區(qū)塊同步。

網(wǎng)絡(luò)協(xié)議方面，借鑒以太坊的做法，UDP做協(xié)議發(fā)現(xiàn)，TCP做數(shù)據(jù)傳輸。每當(dāng)發(fā)現(xiàn)一個節(jié)點，就通過TCP建立連接，并發(fā)送心跳數(shù)據(jù)，以保證數(shù)據(jù)的一致性。

消息

定義消息類，分別定義了無意義回應(yīng)和以上三種請求。為了方便處理，這里統(tǒng)一使用字符串而不是二進(jìn)制數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

class Msg(object):
    NONE_MSG = 0
    HAND_SHAKE_MSG = 1
    GET_BLOCK_MSG = 2
    TRANSACTION_MSG = 3
    def __init__(self, code, data):
        self.code = code
        self.data = data

TCP服務(wù)端

class TCPServer(object):
    def __init__(self, ip='0.0.0.0', port=listen_port):
        self.sock = socket.socket()
        self.ip = ip
        self.port = port
    def listen(self):
        self.sock.bind((self.ip, self.port))
        self.sock.listen(5)
    def run(self):
        t = threading.Thread(target=self.listen_loop, args=())
        t.start()
    def handle_loop(self, conn, addr):
        while True:
            recv_data = conn.recv(4096)
            log.info("recv_data:"+str(recv_data))
            try:
                recv_msg = json.loads(recv_data)
            except ValueError as e:
                conn.sendall('{"code": 0, "data": ""}'.encode())
            send_data = self.handle(recv_msg)
            log.info("tcpserver_send:"+send_data)
            conn.sendall(send_data.encode())
    def listen_loop(self):
        while True:
            conn, addr = self.sock.accept()
            t = threading.Thread(target=self.handle_loop, args=(conn, addr))
            t.start()
    def handle(self, msg):
        code = msg.get("code", 0)
        log.info("code:"+str(code))
        if code == Msg.HAND_SHAKE_MSG:
            res_msg = self.handle_handshake(msg)
        elif code == Msg.GET_BLOCK_MSG:
            res_msg = self.handle_get_block(msg)
        elif code == Msg.TRANSACTION_MSG:
            res_msg = self.handle_transaction(msg)
        else:
            return '{"code": 0, "data":""}'
        return json.dumps(res_msg.__dict__)
    def handle_handshake(self, msg):
        block_chain = BlockChain()
        block = block_chain.get_last_block()
        try:
            genesis_block = block_chain[0]
        except IndexError as e:
            genesis_block = None
        data = {
            "last_height": -1,
            "genesis_block": ""
        }
        if genesis_block:
            data = {
                "last_height": block.block_header.height,
                "genesis_block": genesis_block.serialize()
            }
        msg = Msg(Msg.HAND_SHAKE_MSG, data)
        return msg
    def handle_get_block(self, msg):
        height = msg.get("data", 1)
        block_chain = BlockChain()
        block = block_chain.get_block_by_height(height)
        data = block.serialize()
        msg = Msg(Msg.GET_BLOCK_MSG, data)
        return msg
    def handle_transaction(self, msg):
        tx_pool = TxPool()
        txs = msg.get("data", {})
        for tx_data in txs:
            tx = Transaction.deserialize(tx_data)
            tx_pool.add(tx)
        if tx_pool.is_full():
            bc = BlockChain()
            bc.add_block(tx_pool.txs)
            log.info("add block")
            tx_pool.clear()
        msg = Msg(Msg.NONE_MSG, "")
        return msg

TCP端比較簡單，listen_loop方法監(jiān)聽新的請求并開啟一個新線程處理連接中的數(shù)據(jù)交互。

handle_loop方法調(diào)用了handle分發(fā)處理請求。

handle_handshake處理握手請求，這里將最新塊高度和創(chuàng)世塊發(fā)送出去了，方便和本地數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，如果遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)更新，那么就獲取新的部分的區(qū)塊。

handle_get_block獲取對應(yīng)的區(qū)塊并將數(shù)據(jù)發(fā)送給客戶端。

handle_transaction 處理客戶端發(fā)送來的交易信息。把客戶端發(fā)送來的交易添加到未確認(rèn)交易池，如果交易池滿了就添加到區(qū)塊。這里是方便處理才這么做的，實際上，比特幣中并不是這樣做的，而是由礦工根據(jù)情況進(jìn)行打包區(qū)塊的。

TCP客戶端

class TCPClient(object):
    def __init__(self, ip, port):
        self.txs = []
        self.sock = socket.socket()
        log.info("connect ip:"+ip+"\tport:"+str(port))
        self.sock.connect((ip, port))
    def add_tx(self, tx):
        self.txs.append(tx)
    def send(self, msg):
        data = json.dumps(msg.__dict__)
        self.sock.sendall(data.encode())
        log.info("send:"+data)
        recv_data = self.sock.recv(4096)
        log.info("client_recv_data:"+str(recv_data))
        try:
            recv_msg = json.loads(recv_data)
        except json.decoder.JSONDecodeError as e:
            return
        self.handle(recv_msg)
    def handle(self, msg):
        code = msg.get("code", 0)
        log.info("recv code:"+str(code))
        if code == Msg.HAND_SHAKE_MSG:
            self.handle_shake(msg)
        elif code == Msg.GET_BLOCK_MSG:
            self.handle_get_block(msg)
        elif code == Msg.TRANSACTION_MSG:
            self.handle_transaction(msg)
    def shake_loop(self):
        while True:
            if self.txs:
                data = [tx.serialize() for tx in self.txs]
                msg = Msg(Msg.TRANSACTION_MSG, data)
                self.send(msg)
                self.txs.clear()
            else:
                log.info("shake")
                block_chain = BlockChain()
                block = block_chain.get_last_block()
                try:
                    genesis_block = block_chain[0]
                except IndexError as e:
                    genesis_block = None
                data = {
                    "last_height": -1,
                    "genesis_block": ""
                }
                if genesis_block:
                    data = {
                        "last_height": block.block_header.height,
                        "genesis_block": genesis_block.serialize()
                    }
                msg = Msg(Msg.HAND_SHAKE_MSG, data)
                self.send(msg)
                time.sleep(5)
    def handle_shake(self, msg):
        data = msg.get("data", "")
        last_height = data.get("last_height", 0)
        block_chain = BlockChain()
        block = block_chain.get_last_block()
        if block:
            local_last_height = block.block_header.height
        else:
            local_last_height = -1
        log.info("local_last_height %d, last_height %d" %(local_last_height, last_height))
        for i in range(local_last_height + 1, last_height+1):
            send_msg = Msg(Msg.GET_BLOCK_MSG, i)
            self.send(send_msg)
    def handle_get_block(self, msg):
        data = msg.get("data", "")
        block = Block.deserialize(data)
        bc = BlockChain()
        try:
            bc.add_block_from_peers(block)
        except ValueError as e:
            log.info(str(e))
    def handle_transaction(self, msg):
        data = msg.get("data", {})
        tx = Transaction.deserialize(data)
        tx_pool = TxPool()
        tx_pool.add(tx)
        if tx_pool.is_full():
            bc.add_block(tx_pool.txs)
            log.info("mined a block")
            tx_pool.clear()
    def close(self):
        self.sock.close()

handle_transaction處理服務(wù)器發(fā)送來的交易,將交易添加到交易池，如果交易池滿了就添加到區(qū)塊鏈中。

handle_get_block處理服務(wù)器發(fā)送來的區(qū)塊，并將區(qū)塊更新到鏈上。

handle_shake處理服務(wù)器響應(yīng)的握手信息，如果發(fā)現(xiàn)當(dāng)前的的區(qū)塊高度低于數(shù)據(jù)中響應(yīng)的區(qū)塊高高度，則發(fā)起請求獲取新的幾個區(qū)塊。

shake_loop 每間隔10秒發(fā)送一次握手信息（5秒同步一次區(qū)塊),如果發(fā)現(xiàn)有需要廣播的交易則進(jìn)行交易的廣播。

P2P服務(wù)器

p2p節(jié)點發(fā)現(xiàn)部分，使用了kademlia協(xié)議，并使用了kademlia庫，安裝方法pip3 install kademlia

class P2p(object):
    def __init__(self):
        self.server = Server()
        self.loop = None
    def run(self):
        loop = asyncio.get_event_loop()
        self.loop = loop
        loop.run_until_complete(self.server.listen(listen_port))
        self.loop.run_until_complete(self.server.bootstrap([(bootstrap_host, bootstrap_port)]))
        loop.run_forever()
    def get_nodes(self):
        nodes = []
        for bucket in self.server.protocol.router.buckets:
            nodes.extend(bucket.get_nodes())
        return nodes

其中run方法啟動節(jié)點監(jiān)聽并連接一個初始節(jié)點，并運行p2p節(jié)點監(jiān)聽。get_nodes方法獲取當(dāng)前所有的節(jié)點。

連接節(jié)點

class PeerServer(Singleton):
    def __init__(self):
        if not hasattr(self, "peers"):
            self.peers = []
        if not hasattr(self, "nodes"):
            self.nodes = []
    def nodes_find(self, p2p_server):
        local_ip = socket.gethostbyname(socket.getfqdn(socket.gethostname()))
        while True:
            nodes = p2p_server.get_nodes()
            for node in nodes:
                if node not in self.nodes:
                    ip = node.ip
                    port = node.port
                    if local_ip == ip:
                        continue
                    client = TCPClient(ip, port)
                    t = threading.Thread(target=client.shake_loop, args=())
                    t.start()
                    self.peers.append(client)
                    self.nodes.append(node)
            time.sleep(1)
    def broadcast_tx(self, tx):
        for peer in self.peers:
            peer.add_tx(tx)
    def run(self, p2p_server):
        t = threading.Thread(target=self.nodes_find, args=(p2p_server,))
        t.start()

nodes_find為節(jié)點發(fā)現(xiàn)方法，每隔1秒進(jìn)行查找當(dāng)前是否有新的節(jié)點，并開啟線程進(jìn)行連接。broadcast_tx為廣播交易的方法，將交易添加到待廣播交易池。

RPC

開啟網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽后，主線程就被p2p網(wǎng)絡(luò)占用了，我們需要另外的方法進(jìn)行交互操作。RPC就是常用的方法。我們將命令行操作都通過rpc導(dǎo)出，然后通過rpc調(diào)用獲取信息。

class Cli(object):
    def get_balance(self, addr):
        bc = BlockChain()
        balance = 0
        utxo = UTXOSet()
        utxo.reindex(bc)
        utxos = utxo.find_utxo(addr)
        print(utxos)
        for fout in utxos:
            balance += fout.txoutput.value
        print('%s balance is %d' %(addr, balance))
        return balance
    def create_wallet(self):
        w = Wallet.generate_wallet()
        ws = Wallets()
        ws[w.address] = w
        ws.save()
        return w.address
    def print_all_wallet(self):
        ws = Wallets()
        wallets = []
        for k, _ in ws.items():
            wallets.append(k)
        return wallets
    def send(self, from_addr, to_addr, amount):
        bc = BlockChain()
        tx = bc.new_transaction(from_addr, to_addr, amount)
        # bc.add_block([tx])
        tx_pool = TxPool()
        tx_pool.add(tx)
        from network import log
        log.info("tx_pool:"+str(id(tx_pool)))
        log.info("txs_len:"+str(len(tx_pool.txs)))
        try:
            server = PeerServer()
            server.broadcast_tx(tx)
            log.info("tx_pool is full:"+str(tx_pool.is_full()))
            log.info("tx_pool d :"+str(tx_pool))
            if tx_pool.is_full():
                bc.add_block(tx_pool.txs)
                log.info("add block")
                tx_pool.clear()
        except Exception as e:
            import traceback
            msg = traceback.format_exc()
            log.info("error_msg:"+msg)
        print('send %d from %s to %s' %(amount, from_addr, to_addr))
    def print_chain(self, height):
        bc = BlockChain()
        return bc[height].block_header.serialize()
    def create_genesis_block(self):
        bc = BlockChain()
        w = Wallet.generate_wallet()
        ws = Wallets()
        ws[w.address] = w
        ws.save()
        tx = bc.coin_base_tx(w.address)
        bc.new_genesis_block(tx)
        return w.address

RPC導(dǎo)出：

rpc = RPCServer(export_instance=Cli())
    rpc.start(False)

測試

分別打開兩臺主機A和B:A主機:

$python3 cli.py start

將B主機的conf.py中的bootstrap_host和bootstrap_port修改為A主機的ip和端口。然后啟動B主機。

$python3 cli.py start

任意一臺主機開啟新的窗口執(zhí)行生成創(chuàng)世塊:

$python3 cli.py genesis_block
Genesis Wallet is: 1LYHea8NjTxaYboXJbR7LemvUZjyQc839r

分別在兩臺機器上查看余額:

$python3 cli.py balance 1LYHea8NjTxaYboXJbR7LemvUZjyQc839r
1LYHea8NjTxaYboXJbR7LemvUZjyQc839r balance is 1000

分別在兩臺機器上創(chuàng)建地址:

$python3 cli.py createwallet
Wallet address is 14sQYjj3n2fReJyVNoqHCmCFjNKEZAVcEB

查看當(dāng)前機器的所有地址

python3 cli.py printwallet
Wallet are:
	19zR4zT9eSFsbSNvnQ1RCrhjN71VzPFTnH
	1MVUrxPuRgtkyLQvAoma4yEarzcMzvQqym
	18kruspe7jAbggR1sUF8fCFsZLn6efSeFk
	14sQYjj3n2fReJyVNoqHCmCFjNKEZAVcEB

轉(zhuǎn)賬(至少要轉(zhuǎn)兩筆才能確認(rèn)哦，可以修改txpool.py的SIZE屬性來調(diào)整區(qū)塊大小)。注意：只有當(dāng)前有這個地址（即有這個私鑰）才能作為from轉(zhuǎn)賬給其他地址。

$python3 cli.py send --from 1LYHea8NjTxaYboXJbR7LemvUZjyQc839r --to 19zR4zT9eSFsbSNvnQ1RCrhjN71VzPFTnH --amount 100
$python3 cli.py send --from 1LYHea8NjTxaYboXJbR7LemvUZjyQc839r --to 19zR4zT9eSFsbSNvnQ1RCrhjN71VzPFTnH --amount 100

分別在兩臺機器上查看余額:

python3 cli.py balance 1LYHea8NjTxaYboXJbR7LemvUZjyQc839r
1LYHea8NjTxaYboXJbR7LemvUZjyQc839r balance is 1900

注意：這里因為重復(fù)轉(zhuǎn)了兩筆賬，使用了同一個UTXO，所以第二筆會失敗，由于1LYHea8NjTxaYboXJbR7LemvUZjyQc839r為被獎勵地址，所以獲得了1000得挖礦獎勵所以余額為:1000-100+900=1900。

打印區(qū)塊信息:

$python3 cli.py print 1
{'timestamp': '1551347915.3271294', 'prev_block_hash': '9f12dad81ab988f247884d7d06de46c6951688dcbedb87df2159669594a44f0d', 'hash': 'a9d02b72690398805fb83efd4680cb710ed4f3c67ea7926fe8faab256c1cad1c', 'hash_merkle_root': 'fe768edf1040c504674e8a468c89f00574a181b88ad2297ef29d307695adb38e', 'height': 1, 'nonce': 3}

區(qū)塊同步方式

為了簡單，區(qū)塊采用最簡單的方式進(jìn)行同步。方法如下:

如果發(fā)現(xiàn)對方區(qū)塊高度低于自己，則不做處理。

如果發(fā)現(xiàn)對方區(qū)塊高度高于自己

(1) 當(dāng)前最新區(qū)塊在對應(yīng)區(qū)塊能找到，那么就更新最新的區(qū)塊

(2) 當(dāng)前最新區(qū)塊在對應(yīng)區(qū)塊不能找到，那么回滾當(dāng)前區(qū)塊，直到回到交叉點，再進(jìn)行更新區(qū)塊。

涉及到的源碼修改較多，這里就不貼源碼了。移步到本節(jié)完整實現(xiàn)源碼查看完整源碼。

問題

為了簡單，將握手和廣播交易合一了，這導(dǎo)致了廣播交易不及時。
新區(qū)塊沒有實時進(jìn)行廣播，而是被動等待同步，這也導(dǎo)致了區(qū)塊同步較慢。
在區(qū)塊未確認(rèn)的情況下用同一個地址的幣進(jìn)行轉(zhuǎn)賬有只有第一筆會成功，后面的都會失敗。這是由目前獲取UTXO的方式?jīng)Q定的。