使用python实现简版区块链-基本原型
使用python实现简版区块链-基本原型说明本文根据https://github.com/liuchengxu/blockchain-tutorial的内容,用python实现的,但根据个人的理解进行了一些修改,大量引用了原文的内容。引言区块链是 21 世纪最具革命性的技术之一,它仍然处于不断成长的阶段,而且还有很多潜力尚未显现。 本质上,区块链只是一个分布式数据库而已。 不过,使它独一无...
使用python实现简版区块链-基本原型
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说明
本文根据https://github.com/liuchengxu/blockchain-tutorial的内容,用python实现的,但根据个人的理解进行了一些修改,大量引用了原文的内容。文章末尾有"本节完整源码实现地址"。
引言
区块链是 21 世纪最具革命性的技术之一,它仍然处于不断成长的阶段,而且还有很多潜力尚未显现。 本质上,区块链只是一个分布式数据库而已。 不过,使它独一无二的是,区块链是一个公开的数据库,而不是一个私人数据库,也就是说,每个使用它的人都有一个完整或部分的副本。 只有经过其他“数据库管理员”的同意,才能向数据库中添加新的记录。 此外,也正是由于区块链,才使得加密货币和智能合约成为现实。
在本系列文章中,我们将实现一个简化版的区块链,并基于它来构建一个简化版的加密货币。
区块
首先从 “区块” 谈起。在区块链中,真正存储有效信息的是区块(block)。而在比特币中,真正有价值的信息就是交易(transaction)。实际上,交易信息是所有加密货币的价值所在。除此以外,区块还包含了一些技术实现的相关信息,比如版本,当前时间戳和前一个区块的哈希。
不过,我们要实现的是一个简化版的区块链,而不是一个像比特币技术规范所描述那样成熟完备的区块链。所以在我们目前的实现中,区块仅包含了部分关键信息,它的数据结构如下:
class Block(object):
"""A Block
Attributes:
_magic_no (int): Magic number
_block_header (Block): Header of the previous Block.
_transactions (Transaction): transactions of the current Block.
"""
MAGIC_NO = 0xBCBCBCBC
def __init__(self, block_header, transactions):
self._magic_no = self.MAGIC_NO
self._block_header = block_header
self._transactions = transactions
字段 | 解释 |
---|---|
_magic_no | 魔数 |
_block_header | 区块头 |
_transactions | 交易 |
这里的_magic_no
, _block_header
, _transactions
, 也是比特币区块的构成部分,这里我们简化了一部分信息。在真正的比特币中,区块 的数据结构如下:
Field | Description | Size |
---|---|---|
Magic no | value always 0xD9B4BEF9 | 4 bytes |
Blocksize | number of bytes following up to end of block | 4 bytes |
Blockheader | consists of 6 items | 80 bytes |
Transaction counter | positive integer VI = VarInt | 1 - 9 bytes |
transactions | the (non empty) list of transactions | -many transactions |
区块头
class BlockHeader(object):
""" A BlockHeader
Attributes:
timestamp (str): Creation timestamp of Block
prev_block_hash (str): Hash of the previous Block.
hash (str): Hash of the current Block.
hash_merkle_root(str): Hash of the merkle_root.
height (int): Height of Block
nonce (int): A 32 bit arbitrary random number that is typically used once.
"""
def __init__(self, hash_merkle_root, height, pre_block_hash=''):
self.timestamp = str(time.time())
self.prev_block_hash = pre_block_hash
self.hash = None
self.hash_merkle_root = hash_merkle_root
self.height = height
self.nonce = None
字段 | 解释 |
---|---|
timestamp | 当前时间戳,也就是区块创建的时间 |
prev_block_hash | 前一个块的哈希,即父哈希 |
hash | 当前块头的哈希 |
hash_merkle_root | 区块存储的交易的merkle树的根哈希 |
我们这里的 timestamp
,prev_block_hash
, Hash
,hash_merkle_root
, 在比特币技术规范中属于区块头(block header),区块头是一个单独的数据结构。
完整的 比特币的区块头(block header)结构 如下:
Field | Purpose | Updated when… | Size (Bytes) |
---|---|---|---|
Version | Block version number | You upgrade the software and it specifies a new version | 4 |
hashPrevBlock | 256-bit hash of the previous block header | A new block comes in | 32 |
hashMerkleRoot | 256-bit hash based on all of the transactions in the block | A transaction is accepted | 32 |
Time | Current timestamp as seconds since 1970-01-01T00:00 UTC | Every few seconds | 4 |
Bits | Current target in compact format | The difficulty is adjusted | 4 |
Nonce | 32-bit number (starts at 0) | A hash is tried (increments) | 4 |
我们的简化版的区块头里,hash和hash_merkle_root是需要计算的。hash_merkle_root暂且不管留空,它是由区块中的交易信息生成的merkle树的根哈希。
而hash的计算如下:
def set_hash(self):
"""
Set hash of the header
"""
data_list = [str(self.timestamp),
str(self.prev_block_hash),
str(self.hash_merkle_root),
str(self.height),
str(self.nonce)]
data = ''.join(data_list)
self.hash = sum256_hex(data)
区块链
有了区块,下面让我们来实现区块链。本质上,区块链就是一个有着特定结构的数据库,是一个有序,每一个块都连接到前一个块的链表。也就是说,区块按照插入的顺序进行存储,每个块都与前一个块相连。这样的结构,能够让我们快速地获取链上的最新块,并且高效地通过哈希来检索一个块。
class BlockChain(object):
def __init__(self):
self.blocks = []
这就是我们的第一个区块链!就是一个list。
我们还需要一个添加区块的函数:
def add_block(self, transactions):
"""
add a block to block_chain
"""
last_block = self.blocks[-1]
prev_hash = last_block.get_header_hash()
height = len(self.blocks)
block_header = BlockHeader('', height, prev_hash)
block = Block(block_header, transactions)
block.set_header_hash()
self.blocks.append(block)
为了加入一个新的块,我们必须要有一个已有的块,但是,初始状态下,我们的链是空的,一个块都没有!所以,在任何一个区块链中,都必须至少有一个块。这个块,也就是链中的第一个块,通常叫做创世块(genesis block). 让我们实现一个方法来创建创世块:
# class BlockChain
def new_genesis_block(self):
if not self.blocks:
genesis_block = Block.new_genesis_block('genesis_block')
genesis_block.set_header_hash()
self.blocks.append(genesis_block)
# class Block
@classmethod
def new_genesis_block(cls, coin_base_tx):
block_header = BlockHeader.new_genesis_block_header()
return cls(block_header, coin_base_tx)
# class BlockHeader
@classmethod
def new_genesis_block_header(cls):
"""
NewGenesisBlock creates and returns genesis Block
"""
return cls('', 0, '')
上面分别对应三个函数分别对应链中创世块生成,创世块生成,和创世块头的生成。
创世块高度为0。这里我们暂时还没有交易类,交易暂时用字符串代替。prev_block_hash和hash_merkle_root都暂时留空。
让BlockChain支持迭代
# class BlockChain
def __getitem__(self, index):
if index < len(self.blocks):
return self.blocks[index]
else:
raise IndexError('Index is out of range')
最后再进行简单的测试:
def main():
bc = BlockChain()
bc.new_genesis_block()
bc.add_block('Send 1 BTC to B')
bc.add_block('Send 2 BTC to B')
for block in bc:
print(block)
if __name__ == "__main__":
main()
输出:
Block(_block_header=BlockHeader(timestamp='1548150457.22', hash_merkle_root='', prev_block_hash='', hash='f91f638a9a2b4caf241112d3bc92c9168cc9d52207a5580b3a549ed5343e2ed3', nonce=None, height=0))
Block(_block_header=BlockHeader(timestamp='1548150457.22', hash_merkle_root='', prev_block_hash='f91f638a9a2b4caf241112d3bc92c9168cc9d52207a5580b3a549ed5343e2ed3', hash='d21570e36f0c6f75c112d98416ca4ffae14e5cf02492bea5a7f8c398c1d458ca', nonce=None, height=1))
Block(_block_header=BlockHeader(timestamp='1548150457.22', hash_merkle_root='', prev_block_hash='d21570e36f0c6f75c112d98416ca4ffae14e5cf02492bea5a7f8c398c1d458ca', hash='9c78f38ec78a0d492a27e69ab04a3e0ba07d70d31a1ef96d581e8198d9781bc0', nonce=None, height=2))
总结
我们创建了一个非常简单的区块链原型:它仅仅是一个数组构成的一系列区块,每个块都与前一个块相关联。真实的区块链要比这复杂得多。在我们的区块链中,加入新的块非常简单,也很快,但是在真实的区块链中,加入新的块需要很多工作:你必须要经过十分繁重的计算(这个机制叫做工作量证明),来获得添加一个新块的权力。并且,区块链是一个分布式数据库,并且没有单一决策者。因此,要加入一个新块,必须要被网络的其他参与者确认和同意(这个机制叫做共识(consensus))。还有一点,我们的区块链还没有任何的交易!
参考:
[1] basic-prototype
[2] 完整实现源码
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