用Django实现一个可运行的区块链应用
对数字货币的崛起感到新奇的我们，并且想知道其背后的技术——区块链是怎样实现的。
但是完全搞懂区块链并非易事，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。通过构建一个区块链可以加深对区块链的理解。
准备工作
本文要求读者对Python有基本的理解，能读写基本的Python，并且需要对HTTP请求有基本的了解。
我们知道区块链是由区块的记录构成的不可变、有序的链结构，记录可以是交易、文件或任何你想要的数据，重要的是它们是通过哈希值（hashes）链接起来的。
环境准备
环境准备，确保已经安装Python3.5, pip , django, requests，urllib，json，hashlib
安装方法：
1 pip install django requests
同时还需要一个HTTP客户端，比如Postman，cURL或其它客户端，本文以Postman为例。
开始创建Blockchain
通过django-admin startproject block创建一个block的项目，在项目中创建一个demo项目django-admin startproject demo ，目录结构：
Blockchain类
在views中创建一个Blockchain类，在构造函数中创建了两个列表，一个用于储存区块链，一个用于储存交易。
以下是Blockchain类的框架：
1 class Blockchain(object): 2 def __init__(self): 3 self.chain = [] 4 self.current_transactions = [] 5 def new_block(self): 6 # Creates a new Block and adds it to the chain 7 pass 8 def new_transaction(self): 9 # Adds a new transaction to the list of transactions 10 pass 11 @staticmethod 12 def hash(block): 13 # Hashes a Block 14 pass 15 @property 16 def last_block(self): 17 # Returns the last Block in the chain 18 pass
Blockchain类用来管理链条，它能存储交易，加入新块等，下面我们来进一步完善这些方法。
块结构
每个区块包含属性：索引（index），Unix时间戳（timestamp），交易列表（transactions），工作量证明（稍后解释）以及前一个区块的Hash值。
以下是一个区块的结构：
1 block = {
2 'index': 1,
3 'timestamp': 1506057125.900785,
4 'transactions': [
5 {
6 'sender': "8527147fe1f5426f9dd545de4b27ee00",
7 'recipient': "a77f5cdfa2934df3954a5c7c7da5df1f",
8 'amount': 5,
9 }
10 ],
11 'proof': 324984774000,
12 'previous_hash': "2cf24dba5fb0a30e26e83b2ac5b9e29e1b161e5c1fa7425e73043362938b9824"
13 }
到这里，区块链的概念就清楚了，每个新的区块都包含上一个区块的Hash，这是关键的一点，它保障了区块链不可变性。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。不理解的话，慢慢消化。
加入交易
接下来我们需要添加一个交易，来完善下new_transaction方法
1 class Blockchain(object):
2 ...
3 def new_transaction(self, sender, recipient, amount):
4 """
5 生成新交易信息，信息将加入到下一个待挖的区块中
6 :param sender: <str> Address of the Sender
7 :param recipient: <str> Address of the Recipient
8 :param amount: <int> Amount
9 :return: <int> The index of the Block that will hold this transaction
10 """
11 self.current_transactions.append({
12 'sender': sender,
13 'recipient': recipient,
14 'amount': amount,
15 })
16 return self.last_block['index'] + 1
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，等下在用户提交交易时会有用。
创建新块
当Blockchain实例化后，我们需要构造一个创世块（没有前区块的第一个区块），并且给它加上一个工作量证明。
每个区块都需要经过工作量证明，俗称挖矿，稍后会继续讲解。
为了构造创世块，我们还需要完善new_block(), new_transaction() 和hash() 方法：
1 class Blockchain(object):
2 def __init__(self):
3 self.chain = []
4 self.current_transactions = []
5 self.new_block(previous_hash=1, proof=100)
6 self.nodes = set()
7 def new_block(self,proof,previous_hash= None):
8 block = {
9 'index': len(self.chain) + 1,
10 'timestamp': time(),
11 'transactions': self.current_transactions,
12 'proof':proof ,
13 'previous_hash': previous_hash or self.hash(self.chain[-1]),
14 }
15 self.current_transactions = []
16 self.chain.append(block)
17 return block
18 def new_transaction(self,sender,recipient,amount):
19 self.current_transactions.append({
20 'sender': sender,
21 'recipient': recipient,
22 'amount': amount,
23 })
24 return self.last_block['index']+1
25 @staticmethod
26 def hash(block):
27 block_string = json.dumps(block, sort_keys=True).encode()
28 return hashlib.sha256(block_string).hexdigest()
通过上面的代码和注释可以对区块链有直观的了解，接下来我们看看区块是怎么挖出来的。
理解工作量证明
新的区块依赖工作量证明算法（PoW）来构造。PoW的目标是找出一个符合特定条件的数字，这个数字很难计算出来，但容易验证。这就是工作量证明的核心思想。
为了方便理解，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。设变量 x = 5，求 y 的值？
用Python实现如下：
1 from hashlib import sha256 2 x = 5 3 y = 0 4 while sha256(str(x*y).encode()).hexdigest()[:4] != "0000": 5 y += 1 6 print(y,sha256(str(x*y).encode()).hexdigest()[:4]) 7 print(y)
在比特币中，使用称为Hashcash的工作量证明算法，它和上面的问题很类似。矿工们为了争夺创建区块的权利而争相计算结果。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，会获得比特币奖励。
当然，在网络上非常容易验证这个结果。
实现工作量证明
让我们来实现一个相似PoW算法，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。
1 import hashlib 2 import json 3 from time import time 4 from uuid import uuid4 5 class Blockchain(object): 6 ... 7 def last_block(self): 8 return self.chain[-1] 9 def proof_of_work(self, last_proof): 10 proof = 0 11 while self.valid_proof(last_proof, proof) is False: 12 proof += 1 13 return proof 14 @staticmethod 15 def valid_proof(last_proof, proof): 16 guess = str(last_proof*proof).encode() 17 guess_hash = hashlib.sha256(guess).hexdigest() 18 return guess_hash[:5] == "00000"
衡量算法复杂度的办法是修改零开头的个数。使用4个来用于演示，你会发现多一个零都会大大增加计算出结果所需的时间。
现在Blockchain类基本已经完成了，接下来使用HTTP requests来进行交互。
Blockchain作为API接口
我们将使用Python django框架，这是一个轻量Web应用框架，它方便将网络请求映射到 Python函数，现在我们来让来试一下：
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
创建节点
我们的“django web服务器”将扮演区块链网络中的一个节点。我们先添加一些框架代码：
1 node_identifier = str(uuid4()).replace('-', '')
2 # Instantiate the Blockchain
3 blockchain = Blockchain()
4 def mine(request):
5 last_block = blockchain.last_block
6 last_proof = last_block['proof']
7 proof = blockchain.proof_of_work(last_proof)
8 print(proof)
9 blockchain.new_transaction(
10 sender="0",
11 recipient=node_identifier,
12 amount=1,
13 )
14 # Forge the new Block by adding it to the chain
15 block = blockchain.new_block(proof)
16 response = {
17 'message': "New Block Forged",
18 'index': block['index'],
19 'transactions': block['transactions'],
20 'proof': block['proof'],
21 'previous_hash': block['previous_hash'],
22 }
23 print(response)
24 return HttpResponse(json.dumps(response))
25 def new_transaction(request):
26 values = json.loads(request.body.decode('utf-8'))
27 required = ['sender', 'recipient', 'amount']
28 if not all(k in values for k in required):
29 return 'Missing values'
30 index = blockchain.new_transaction(values['sender'], values['recipient'], values['amount'])
31 print(index)
32 response = {'message': 'Transaction will be added to Block %s'%index}
33 return HttpResponse(json.dumps(response))
34 def full_chain(request):
35 response = {
36 'chain': blockchain.chain,
37 'length': len(blockchain.chain),
38 }
39 return HttpResponse(json.dumps(response))
添加url路由节点：运行服务
1 from demo import views 2 urlpatterns = [ 3 url(r'^admin/', admin.site.urls), 4 url(r'^mine', views.mine), 5 url(r'^transactions/new/', views.new_transaction), 6 url(r'^chain/', views.full_chain), 7 url(r'^register', views.register_nodes), 8 url(r'^resolve', views.consensus), 9 ]
运行服务
python manage.py runserver 127.0.0.1:8000
发送交易
发送到节点的交易数据，结构如下：
{
"sender": "my address",
"recipient": "someone else's address",
"amount": 5
}
向服务添加一个交易
挖矿
挖矿正是神奇所在，它很简单，做了一下三件事：
-
计算工作量证明PoW
-
通过新增一个交易授予矿工（自己）一个币
-
构造新区块并将其添加到链中
1 def proof_of_work(self, last_proof): 2 proof = 0 3 while self.valid_proof(last_proof, proof) is False: 4 proof += 1 5 return proof 6 @staticmethod 7 def valid_proof(last_proof, proof): 8 guess = str(last_proof*proof).encode() 9 guess_hash = hashlib.sha256(guess).hexdigest() 10 return guess_hash[:5] == "00000"
注意交易的接收者是我们自己的服务器节点，我们做的大部分工作都只是围绕Blockchain类方法进行交互。到此，我们的区块链就算完成了，我们来实际运行下
运行区块链
使用Postman 去和API进行交互
让我们通过请求 http://127.0.0.1:8000/mine 来进行挖矿
在挖了两次矿之后，就有3个块了，通过请求 http://localhost:8000/chain 可以得到所有的块信息。
{
"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（共识）
我们已经有了一个基本的区块链可以接受交易和挖矿。但是区块链系统应该是分布式的。既然是分布式的，那么我们究竟拿什么保证所有节点有同样的链呢？这就是一致性问题，我们要想在网络上有多个节点，就必须实现一个一致性的算法。
注册节点
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。因此让我们新增几个接口：
-
/register 接收URL形式的新节点列表
-
/resolve 执行一致性算法，解决任何冲突，确保节点拥有正确的链
我们修改下Blockchain的init函数并提供一个注册节点方法：
1 from urllib.parse import urlparse 2 ... 3 class Blockchain(object): 4 def __init__(self): 5 ... 6 self.nodes = set() 7 ... 8 def register_node(self, address): 9 parsed_url = urlparse(address) 10 self.nodes.add(parsed_url.netloc)
我们用 set 来储存节点，这是一种避免重复添加节点的简单方法。
实现共识算法
前面提到，冲突是指不同的节点拥有不同的链，为了解决这个问题，规定最长的、有效的链才是最终的链，换句话说，网络中有效最长链才是实际的链。
我们使用一下的算法，来达到网络中的共识
1 class Blockchain(object):
2 def __init__(self):
3 ...
4 def valid_chain(self, chain):
5 last_block = chain[0]
6 current_index = 1
7 while current_index < len(chain):
8 block = chain[current_index]
9 if block['previous_hash'] != self.hash(last_block):
10 return False
11 # Check that the Proof of Work is correct
12 if not self.valid_proof(last_block['proof'], block['proof']):
13 return False
14 last_block = block
15 current_index += 1
16 return True
17 def resolve_conflicts(self):
18 neighbours = self.nodes
19 new_chain = None
20 max_length = len(self.chain)
21 for node in neighbours:
22 response = requests.get('http://%s/chain' %node)
23 if response.status_code == 200:
24 length = json.loads(response)['length']
25 chain = json.loads(response)['chain']
26 # Check if the length is longer and the chain is valid
27 if length > max_length and self.valid_chain(chain):
28 max_length = length
29 new_chain = chain
30 # Replace our chain if we discovered a new, valid chain longer than ours
31 if new_chain:
32 self.chain = new_chain
33 return True
34 return False
第一个方法 valid_chain() 用来检查是否是有效链，遍历每个块验证hash和proof.
第2个方法 resolve_conflicts() 用来解决冲突，遍历所有的邻居节点，并用上一个方法检查链的有效性， 如果发现有效更长链，就替换掉自己的链
在url中添加两个路由，一个用来注册节点，一个用来解决冲突。
1 from demo import views 2 urlpatterns = [ 3 url(r'^register', views.register_nodes), 4 url(r'^resolve', views.consensus), 5 ]
你可以在不同的机器运行节点，或在一台机机开启不同的网络端口来模拟多节点的网络，这里在同一台机器开启不同的端口演示，在不同的终端运行一下命令，就启动了两个节点：http://127.0.0.1:8000和 http://127.0.0.1:8100
然后在节点8100节点上挖两个块，确保是更长的链，然后在节点8000节点*问接口/resolve ,这时节点8100的链会通过共识算法被节点8000节点的链取代。