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)塊鏈是怎樣實現(xiàn)的。
但是完全搞懂區(qū)塊鏈并非易事，我喜歡在實踐中學習，通過寫代碼來學習技術(shù)會掌握得更牢固。通過構(gòu)建一個區(qū)塊鏈可以加深對區(qū)塊鏈的理解。
準備工作
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)塊鏈是由區(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)境準備
環(huán)境準備，確保已經(jīng)安裝Python3.5, pip , django, requests，urllib，json，hashlib
安裝方法：
pip install django requests
同時還需要一個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block的項目，在項目中創(chuàng)建一個demo項目django-admin startproject demo ，目錄結(jié)構(gòu)：
Blockchain類
在views中創(chuàng)建一個Blockchain類，在構(gòu)造函數(shù)中創(chuàng)建了兩個列表，一個用于儲存區(qū)塊鏈，一個用于儲存交易。
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，下面我們來進一步完善這些方法。
塊結(jié)構(gòu)
每個區(qū)塊包含屬性：索引（index），Unix時間戳（timestamp），交易列表（transactions），工作量證明（稍后解釋）以及前一個區(qū)塊的Hash值。
以下是一個區(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，每個新的區(qū)塊都包含上一個區(qū)塊的Hash，這是關(guān)鍵的一點，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交易記錄，并返回該記錄將被添加到的區(qū)塊(下一個待挖掘的區(qū)塊)的索引，等下在用戶提交交易時會有用。
創(chuàng)建新塊
當Blockchain實例化后，我們需要構(gòu)造一個創(chuàng)世塊（沒有前區(qū)塊的第一個區(qū)塊），并且給它加上一個工作量證明。
每個區(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的目標是找出一個符合特定條件的數(shù)字， 這個數(shù)字很難計算出來，但容易驗證 。這就是工作量證明的核心思想。
為了方便理解，舉個例子：
假設(shè)一個整數(shù) x 乘以另一個整數(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實現(xiàn)如下：
from hashlib import sha256x = 5y = 0while 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)利而爭相計算結(jié)果。通常，計算難度與目標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。
當然，在網(wǎng)絡(luò)上非常容易驗證這個結(jié)果。
實現(xiàn)工作量證明
讓我們來實現(xiàn)一個相似PoW算法，規(guī)則是：尋找一個數(shù) p，使得它與前一個區(qū)塊的 proof 拼接成的字符串的 Hash 值以 4 個零開頭。
import hashlibimport jsonfrom time import timefrom uuid import uuid4class 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"
衡量算法復雜度的辦法是修改零開頭的個數(shù)。使用4個來用于演示，你會發(fā)現(xiàn)多一個零都會大大增加計算出結(jié)果所需的時間。
現(xiàn)在Blockchain類基本已經(jīng)完成了，接下來使用HTTP requests來進行交互。
Blockchain作為API接口
我們將使用Python django框架，這是一個輕量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)建三個接口：
/transactions/new 創(chuàng)建一個交易并添加到區(qū)塊/mine 告訴服務(wù)器去挖掘新的區(qū)塊/chain 返回整個區(qū)塊鏈
創(chuàng)建節(jié)點
我們的“django web服務(wù)器”將扮演區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中的一個節(jié)點。我們先添加一些框架代碼：
node_identifier = str(uuid4()).replace('-', '')# Instantiate the Blockchainblockchain = 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：運行服務(wù)
from demo import viewsurlpatterns = [ 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)添加一個交易
挖礦
挖礦正是神奇所在，它很簡單，做了一下三件事：
計算工作量證明PoW
通過新增一個交易授予礦工（自己）一個幣
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，我們做的大部分工作都只是圍繞Blockchain類方法進行交互。到此，我們的區(qū)塊鏈就算完成了，我們來實際運行下
運行區(qū)塊鏈
你可以使用cURL 或Postman 去和API進行交互
讓我們通過請求 http://127.0.0.1:8000/mine 來進行挖礦
在挖了兩次礦之后，就有3個塊了，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)上有多個節(jié)點，就必須實現(xiàn)一個一致性的算法。
注冊節(jié)點
在實現(xiàn)一致性算法之前，我們需要找到一種方式讓一個節(jié)點知道它相鄰的節(jié)點。每個節(jié)點都需要保存一份包含網(wǎng)絡(luò)中其它節(jié)點的記錄。因此讓我們新增幾個接口：
/register 接收URL形式的新節(jié)點列表/resolve 執(zhí)行一致性算法，解決任何沖突，確保節(jié)點擁有正確的鏈
我們修改下Blockchain的init函數(shù)并提供一個注冊節(jié)點方法：
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，這是一種避免重復添加節(jié)點的簡單方法。
實現(xiàn)共識算法
前面提到，沖突是指不同的節(jié)點擁有不同的鏈，為了解決這個問題，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際的鏈。
我們使用一下的算法，來達到網(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 第一個方法 valid_chain() 用來檢查是否是有效鏈，遍歷每個塊驗證hash和proof.
第2個方法 resolve_conflicts() 用來解決沖突，遍歷所有的鄰居節(jié)點，并用上一個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中添加兩個路由，一個用來注冊節(jié)點，一個用來解決沖突。
from demo import viewsurlpatterns = [ url(r'^register', views.register_nodes), url(r'^resolve', views.consensus),]
你可以在不同的機器運行節(jié)點，或在一臺機機開啟不同的網(wǎng)絡(luò)端口來模擬多節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)，這里在同一臺機器開啟不同的端口演示，在不同的終端運行一下命令，就啟動了兩個節(jié)點： http://127.0.0.1:8000 和 http://127.0.0.1:8100
然后在節(jié)點8100節(jié)點上挖兩個塊，確保是更長的鏈，然后在節(jié)點8000節(jié)點上訪問接口/resolve ,這時節(jié)點8100的鏈會通過共識算法被節(jié)點8000節(jié)點的鏈取代。
總結(jié)
以上所述是小編給大家介紹的用Django實現(xiàn)一個可運行的區(qū)塊鏈應(yīng)用，希望對大家有所幫助，如果大家有任何疑問請給我留言，小編會及時回復大家的。在此也非常感謝大家對VEVB武林網(wǎng)網(wǎng)站的支持！
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