相信你和我一样对数字货币的崛起感到新奇,并且想知道其背后的技术——区块链是怎样实现的。
但是理解区块链并非易事,至少对于我来说是如此。晦涩难懂的视频、漏洞百出的教程以及示例的匮乏令我倍受挫折。
我喜欢在实践中学习,通过写代码来学习技术会掌握得更牢固。如果你也这样做,那么读完本文,你将获得一个可用的区块链以及对区块链的深刻理解。
开始之前...
首先你需要知道区块链是由被称为区块的记录构成的不可变的、有序的链式结构,这些记录可以是交易、文件或任何你想要的数据,最重要的是它们是通过 Hash 连接起来的。
如果你不了解 Hash,这里有个例子
其次,你需要安装 Python3.6+,Flask,Request
pip install Flask==0.12.2 requests==2.18.4
同时你还需要一个 HTTP 客户端,比如 Postman,cURL 或任何其它客户端。
最终的源代码在这里:
第一步: 打造一个 Blockchain
新建一个文件 blockchain.py,本文所有的代码都写在这一个文件中。首先创建一个 Blockchain 类,在构造函数中我们创建了两个列表,一个用于储存区块链,一个用于储存交易。
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
一个区块有五个基本属性:index,timestamp(in Unix time),transaction 列表,工作量证明(稍后解释)以及前一个区块的 Hash 值。
block = { 'index': 1, 'timestamp': 1506057125.900785, 'transactions': [ { 'sender': "8527147fe1f5426f9dd545de4b27ee00", 'recipient': "a77f5cdfa2934df3954a5c7c7da5df1f", 'amount': 5, } ], 'proof': 324984774000, 'previous_hash': "2cf24dba5fb0a30e26e83b2ac5b9e29e1b161e5c1fa7425e73043362938b9824" }
到这里,区块链的概念应该比较清楚了:每个新的区块都会包含上一个区块的 Hash 值。这一点非常关键,它是区块链不可变性的根本保障。如果攻击者破坏了前面的某个区块,那么后面所有区块的 Hash 都会变得不正确。不理解?慢慢消化~
我们需要一个向区块添加交易的方法:
class Blockchain(object): ... def new_transaction(self, sender, recipient, amount): """ Creates a new transaction to go into the next mined Block :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
new_transaction() 方法向列表中添加一个交易记录,并返回该记录将被添加到的区块——下一个待挖掘的区块——的索引,稍后在用户提交交易时会有用。
当 Blockchain 实例化后,我们需要创建一个初始的区块(创世块),并且给它预设一个工作量证明。
除了添加创世块的代码,我们还需要补充 newblock(), newtransaction() 和 hash() 方法:
import hashlib import json from time import time class Blockchain(object): def __init__(self): self.current_transactions = [] self.chain = [] # Create the genesis block self.new_block(previous_hash=1, proof=100) 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]), } # Reset the current list of transactions 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 @property def last_block(self): return self.chain[-1] @staticmethod def hash(block): block_string = json.dumps(block, sort_keys=True).encode() return hashlib.sha256(block_string).hexdigest()
上面的代码应该很直观,我们基本上有了区块链的雏形。但此时你肯定很想知道一个区块究竟是怎样被创建或挖掘出来的。
新的区块来自工作量证明(PoW)算法。PoW 的目标是计算出一个符合特定条件的数字,这个数字对于所有人而言必须在计算上非常困难,但易于验证。这就是工作量证明的核心思想。
举个例子:
假设一个整数 x 乘以另一个整数 y 的积的 Hash 值必须以 0 结尾,即 hash(x * y) = ac23dc...0。设 x = 5,求 y?
from hashlib import sha256 x = 5 y = 0 # We don't know what y should be yet... while sha256(f'{x*y}'.encode()).hexdigest()[-1] != "0": y += 1 print(f'The solution is y = {y}')
结果是 y = 21 // hash(5 * 21) = 1253e9373e...5e3600155e860
在比特币中,工作量证明算法被称为 Hashcash,它和上面的问题很相似,只不过计算难度非常大。这就是矿工们为了争夺创建区块的权利而争相计算的问题。通常,计算难度与目标字符串需要满足的特定字符的数量成正比,矿工算出结果后,就会获得一定数量的比特币奖励(通过交易)。
网络要验证结果,当然非常容易。
让我们来实现一个 PoW 算法,和上面的例子非常相似,规则是:寻找一个数 p,使得它与前一个区块的 proof 拼接成的字符串的 Hash 值以 4 个零开头。
import hashlib import json from time import time from uuid import uuid4 class Blockchain(object): ... 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 = f'{last_proof}{proof}'.encode() guess_hash = hashlib.sha256(guess).hexdigest() return guess_hash[:4] == "0000"
衡量算法复杂度的办法是修改零的个数。4 个零足够用于演示了,你会发现哪怕多一个零都会大大增加计算出结果所需的时间。
我们的 Blockchain 基本已经完成了,接下来我们将使用 HTTP requests 来与之交互。
第二步:作为 API 的 Blockchain
我们将使用 Flask 框架,它十分轻量并且很容易将网络请求映射到 Python 函数。
我们将创建三个接口:
/transactions/new 创建一个交易并添加到区块 /mine 告诉服务器去挖掘新的区块 /chain 返回整个区块链
我们的服务器将扮演区块链网络中的一个节点。我们先添加一些常规代码:
import hashlib import json from textwrap import dedent from time import time from uuid import uuid4 from flask import Flask, jsonify, request class Blockchain(object): ... # Instantiate our Node app = Flask(__name__) # Generate a globally unique address for this node node_identifier = str(uuid4()).replace('-', '') # Instantiate the Blockchain blockchain = Blockchain() @app.route('/mine', methods=['GET']) def mine(): return "We'll mine a new Block" @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': blockchain.chain, 'length': len(blockchain.chain), } return jsonify(response), 200 if __name__ == '__main__': app.run(host='127.0.0.1', port=5000)
这是用户发起交易时发送到服务器的请求:
{ "sender": "my address", "recipient": "someone else's address", "amount": 5 }
我们已经有了向区块添加交易的方法,因此剩下的部分就很简单了:
@app.route('/transactions/new', methods=['POST']) def new_transaction(): values = request.get_json() # Check that the required fields are in the POST'ed data required = ['sender', 'recipient', 'amount'] if not all(k in values for k in required): return 'Missing values', 400 # Create a new Transaction index = blockchain.new_transaction(values['sender'], values['recipient'], values['amount']) response = {'message': f'Transaction will be added to Block {index}'} return jsonify(response), 201
挖掘端正是奇迹发生的地方,它只做三件事:计算 PoW;通过新增一个交易授予矿工一定数量的比特币;构造新的区块并将其添加到区块链中。
@app.route('/mine', methods=['GET']) def mine(): # We run the proof of work algorithm to get the next proof... last_block = blockchain.last_block last_proof = last_block['proof'] proof = blockchain.proof_of_work(last_proof) # We must receive a reward for finding the proof. # The sender is "0" to signify that this node has mined a new coin. 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'], } return jsonify(response), 200
需注意交易的接收者是我们自己的服务器节点,目前我们做的大部分事情都只是围绕 Blockchain 类进行交互。到此,我们的区块链就算完成了。
第三步:交互演示
使用 Postman 演示,略。
第四步:一致性
这真的很棒,我们已经有了一个基本的区块链可以添加交易和挖矿。但是,整个区块链系统必须是分布式的。既然是分布式的,那么我们究竟拿什么保证所有节点运行在同一条链上呢?这就是一致性问题,我们要想在网络中添加新的节点,就必须实现保证一致性的算法。
在实现一致性算法之前,我们需要找到一种方式让一个节点知道它相邻的节点。每个节点都需要保存一份包含网络中其它节点的记录。让我们新增几个接口:
1. /nodes/register 接收以 URL 的形式表示的新节点的列表 2. /nodes/resolve 用于执行一致性算法,用于解决任何冲突,确保节点拥有正确的链 ... 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)
注意到我们用 set 来储存节点,这是一种避免重复添加节点的简便方法。
前面提到的冲突是指不同的节点拥有的链存在差异,要解决这个问题,我们规定最长的合规的链就是最有效的链,换句话说,只有最长且合规的链才是实际存在的链。
让我们再添加两个方法,一个用于添加相邻节点,另一个用于解决冲突。
... import requests class Blockchain(object) ... 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("-----------") # 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): 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
现在你可以新开一台机器,或者在本机上开启不同的网络接口来模拟多节点的网络,或者邀请一些朋友一起来测试你的区块链。
我希望本文能激励你创造更多新东西。我之所以对数字货币入迷,是因为我相信区块链会很快改变我们看待事物的方式,包括经济、政府、档案管理等。