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Python構(gòu)建區(qū)塊鏈的方法詳解

 更新時(shí)間:2023年02月25日 11:05:52   作者:夢實(shí)現(xiàn)了嗎  
區(qū)塊鏈(Blockchain)是一種分布式賬本(listributed ledger),它是一種僅供增加(append-only),內(nèi)容不可變(immutable)的有序(ordered)鏈?zhǔn)綌?shù)據(jù)結(jié)構(gòu),該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)由網(wǎng)絡(luò)中的一系列節(jié)點(diǎn)共同維護(hù),并且這些節(jié)點(diǎn)之間互不信任

區(qū)塊鏈

區(qū)塊鏈?zhǔn)窃谟?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)之間共享數(shù)據(jù)的分類賬(分布式數(shù)據(jù)庫)。作為數(shù)據(jù)庫,區(qū)塊鏈以電子格式儲存信息。區(qū)塊鏈的創(chuàng)新之處在于它保證了數(shù)據(jù)記錄的安全性和真實(shí)性,可信性(不需要沒有可信任的第三方)。

區(qū)塊鏈和典型數(shù)據(jù)庫的區(qū)別是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。區(qū)塊鏈以block的方式收集信息。

block

block是一種能永久記錄加密貨幣交易數(shù)據(jù)(或其他用途)的一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。類似于鏈表。一個(gè)block記錄了一些火所有尚未被驗(yàn)證的最新交易。驗(yàn)證數(shù)據(jù)后,block將關(guān)閉,之后會創(chuàng)建一個(gè)新的block來輸入和驗(yàn)證新的交易。因此,一旦寫入,永久不能更改和刪除。

  • block是區(qū)塊鏈中存儲和加密信息的地方
  • block由長數(shù)字標(biāo)識,其中包括先前加密塊的加密交易信息和新的交易信息
  • 在創(chuàng)建之前,block以及其中的信息必須由網(wǎng)絡(luò)驗(yàn)證

以下是一個(gè)簡單的例子:

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

目標(biāo)

區(qū)塊鏈的目標(biāo)是允許數(shù)字信息被記錄和分發(fā),但不能編輯。通過這種方式,區(qū)塊鏈成為了不可變分類賬或無法更改、刪除和銷毀的交易記錄的基礎(chǔ)。

去中心化

想象一下,一家公司擁有10000臺服務(wù)器,用于維護(hù)一個(gè)包含所有客戶信息的數(shù)據(jù)庫。公司的所有服務(wù)器都在一個(gè)倉庫中,可以完全控制每臺服務(wù)器。這就提供了單點(diǎn)故障。如果那個(gè)地方停電了怎么辦?如果他的網(wǎng)絡(luò)連接被切斷了怎么辦?在任何情況下,數(shù)據(jù)都會丟失或損壞。

構(gòu)建

區(qū)塊鏈類

我們將創(chuàng)建一個(gè)BlockChain類,構(gòu)造函數(shù)創(chuàng)建一個(gè)空列表來存儲區(qū)塊鏈,再創(chuàng)建一個(gè)空列表來存儲交易。創(chuàng)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

我們需要一種將交易添加到區(qū)塊的方法。new_transaction負(fù)責(zé)這個(gè)

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

new_transaction 將交易添加到列表后,它返回交易將被添加到的塊的索引——下一個(gè)要挖掘的塊。這將在以后對提交交易的用戶有用。

創(chuàng)建新blocks

當(dāng)我們的區(qū)塊鏈被實(shí)例化時(shí),我們需要為它播種一個(gè)創(chuàng)世塊——一個(gè)沒有前輩的塊。我們還需要向我們的創(chuàng)世塊添加一個(gè)“證明”,這是挖掘的結(jié)果(或工作量證明)。除了在我們的構(gòu)造函數(shù)中創(chuàng)建創(chuàng)世塊之外,我們還將充實(shí) 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()

到這里,我們幾乎完成了代表我們的區(qū)塊鏈。但此時(shí),你一定想知道新區(qū)塊是如何創(chuàng)建、鍛造或開采的。

POW

工作量證明算法 (PoW) 是在區(qū)塊鏈上創(chuàng)建或挖掘新塊的方式,它的目標(biāo)是發(fā)現(xiàn)一個(gè)解決問題的數(shù)字。這個(gè)數(shù)字必須很難找到但很容易被網(wǎng)絡(luò)上的任何人驗(yàn)證。PoW廣泛用于加密貨幣挖掘,用于驗(yàn)證交易和挖掘新代幣。由于PoW,比特幣和其他加密貨幣交易可以以安全的方式進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)處理,而無需受信任的第三方。

讓我們實(shí)現(xiàn)一個(gè)類似的算法:

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

為了使區(qū)塊鏈能夠交互,我們需要一個(gè)將其置于web服務(wù)器上。這里我們是用Flask框架。

如果沒有安裝,需要安裝flask

pip install flask

我們的服務(wù)器將在我們的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中形成單一節(jié)點(diǎn),在同級目錄下創(chuàng)建一個(gè)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
# 實(shí)例化應(yīng)用
app = Flask(__name__)
# 創(chuàng)建隨機(jī)節(jié)點(diǎn)名稱
node_identifier = str(uuid4()).replace('_', '')
# 實(shí)例化block_chain類
block_chain = Blockchain()
# 創(chuàng)建/mine端點(diǎn)
@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
# 修改端口號
if __name__ == '__main__':
    app.run(host='0.0.0.0', port=5000)

然后運(yùn)行

flask run

通過api軟件(本次使用的是api fox)來發(fā)送請求:

注冊新節(jié)點(diǎn)

區(qū)塊鏈的全部意義在于它們應(yīng)該去中心化。如果想要網(wǎng)絡(luò)中有多個(gè)節(jié)點(diǎn),必須采用共識算法。在我們可以實(shí)施共識算法之前,我們需要一種方法讓節(jié)點(diǎn)知道網(wǎng)絡(luò)上的相鄰節(jié)點(diǎn)。我們網(wǎng)絡(luò)上的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都應(yīng)該保留網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點(diǎn)的注冊表。因此,我們需要更多的端點(diǎn):

...
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)

沖突

沖突是指一個(gè)節(jié)點(diǎn)與另一個(gè)節(jié)點(diǎn)有不同的鏈。為了解決這個(gè)問題,我們將制定最長有效鏈為權(quán)威的規(guī)則。使用此算法,我們在網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)之間達(dá)成共識。

...
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: <bool> 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

第一個(gè)方法 valid_chain() 負(fù)責(zé)通過遍歷每個(gè)塊并驗(yàn)證哈希和證明來檢查鏈?zhǔn)欠裼行?。resolve_conflicts() 是一種循環(huán)遍歷我們所有相鄰節(jié)點(diǎn)、下載它們的鏈并使用上述方法驗(yàn)證它們的方法。如果找到一個(gè)有效的鏈,其長度大于我們的,我們將替換我們的。

讓我們將兩個(gè)端點(diǎn)注冊到我們的 API,一個(gè)用于添加相鄰節(jié)點(diǎn),另一個(gè)用于解決沖突:

@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

在這一點(diǎn)上,如果你愿意,你可以拿一臺不同的機(jī)器,并在你的網(wǎng)絡(luò)上啟動不同的節(jié)點(diǎn)。或者在同一臺機(jī)器上使用不同的端口啟動進(jìn)程。比如創(chuàng)建兩個(gè)端口5000和6000來進(jìn)行嘗試。

到此這篇關(guān)于Python構(gòu)建區(qū)塊鏈的方法詳解的文章就介紹到這了,更多相關(guān)Python構(gòu)建區(qū)塊鏈內(nèi)容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家!

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