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边构建区块链边学习（Jupyter notebook）¶

• 构建区块链的同时进行学习|编程|使用在POSTD中发布的解释和代码逐步进行测试。

• 直接由Jupyter实施，因为觉得在Flask中的实现很多余。

• 阅读文本是假定您对于块链本身的机制已经有所理解。

  
  

代码的实现¶1.创建一个区块链类¶


In [1]:

1. from time import time
   
2. import hashlib
   
3. import json
   
4. 
   
5. class Blockchain(object):
   
6.     def __init__(self):
   
7.         self.current_transactions = []
   
8.         self.chain = []
   
9. 
   
10.         # Create the genesis block
    
11.         self.new_block(previous_hash=1, proof=100)
    
12. 
    
13.     def new_block(self, proof, previous_hash=None):
    
14.         """
    
15.         Create a new Block in the Blockchain
    
16.         :param proof: <int> The proof given by the Proof of Work algorithm
    
17.         :param previous_hash: (Optional) <str> Hash of previous Block
    
18.         :return: <dict> New Block
    
19.         """
    
20.         block = {
    
21.             'index': len(self.chain) + 1,
    
22.             'timestamp': time(),
    
23.             'transactions': self.current_transactions,
    
24.             'proof': proof,
    
25.             'previous_hash': previous_hash or self.hash(self.chain[-1]),
    
26.         }
    
27. 
    
28.         # Reset the current list of transactions
    
29.         self.current_transactions = []
    
30. 
    
31.         self.chain.append(block)
    
32.         return block
    
33. 
    
34.     def new_transaction(self, sender, recipient, amount):
    
35.         """
    
36.         Creates a new transaction to go into the next mined Block
    
37.         :param sender: <str> Address of the Sender
    
38.         :param recipient: <str> Address of the Recipient
    
39.         :param amount: <int> Amount
    
40.         :return: <int> The index of the Block that will hold this transaction
    
41.         """
    
42.         self.current_transactions.append({
    
43.             'sender': sender,
    
44.             'recipient': recipient,
    
45.             'amount': amount,
    
46.         })
    
47.         return self.last_block['index'] + 1
    
48. 
    
49.     @staticmethod
    
50.     def hash(block):
    
51.         """
    
52.         Creates a SHA-256 hash of a Block
    
53.         :param block: <dict> Block
    
54.         :return: <str>
    
55.         """
    
56.         # We must make sure that the Dictionary is Ordered, or we'll have inconsistent hashes
    
57.         block_string = json.dumps(block, sort_keys=True).encode()
    
58.         return hashlib.sha256(block_string).hexdigest()
    
59. 
    
60.     @property
    
61.     def last_block(self):
    
62.         return self.chain[-1]
    
63. 
    
64.     def proof_of_work(self, last_proof):
    
65.         """
    
66.         Simple Proof of Work Algorithm:
    
67.          - Find a number p' such that hash(pp') contains leading 4 zeroes, where p is the previous p'
    
68.          - p is the previous proof, and p' is the new proof
    
69.         :param last_proof: <int>
    
70.         :return: <int>
    
71.         """
    
72.         proof = 0
    
73.         while self.valid_proof(last_proof, proof) is False:
    
74.             proof += 1
    
75.         return proof
    
76. 
    
77.     @staticmethod
    
78.     def valid_proof(last_proof, proof):
    
79.         """
    
80.         Validates the Proof: Does hash(last_proof, proof) contain 4 leading zeroes?
    
81.         :param last_proof: <int> Previous Proof
    
82.         :param proof: <int> Current Proof
    
83.         :return: <bool> True if correct, False if not.
    
84.         """
    
85.         guess = ('%d%d' % (last_proof, proof)).encode()
    
86.         guess_hash = hashlib.sha256(guess).hexdigest()
    
87.         return guess_hash[:4] == "0000"

复制代码

2.挖矿代码¶


In [2]:

1. from uuid import uuid4
   
2. 
   
3. node_identifier = str(uuid4()).replace('-', '')
   
4. 
   
5. def mine(blockchain):
   
6.     global node_identifier
   
7.    
   
8.     # We run the proof of work algorithm to get the next proof...
   
9.     last_block = blockchain.last_block
   
10.     last_proof = last_block['proof']
    
11.     proof = blockchain.proof_of_work(last_proof)
    
12. 
    
13.     # We must receive a reward for finding the proof.
    
14.     # The sender is "0" to signify that this node has mined a new coin.
    
15.     blockchain.new_transaction(
    
16.         sender="0",
    
17.         recipient=node_identifier,
    
18.         amount=1,
    
19.     )
    
20. 
    
21.     # Forge the new Block by adding it to the chain
    
22.     previous_hash = blockchain.hash(last_block)
    
23.     block = blockchain.new_block(proof, previous_hash)
    
24. 
    
25.     response = {
    
26.         'message': "New Block Forged",
    
27.         'index': block['index'],
    
28.         'transactions': block['transactions'],
    
29.         'proof': block['proof'],
    
30.         'previous_hash': block['previous_hash'],
    
31.     }
    
32.     return response

复制代码

3.添加示例并返回整个链¶


In [3]:

1. def full_chain(blockchain):
   
2.     response = {
   
3.         'chain': blockchain.chain,
   
4.         'length': len(blockchain.chain),
   
5.     }
   
6.     return response

复制代码

尝试移动块链¶

使用pprint使显示更容易看到。

In [4]:

1. import pprint
   
2. pp = pprint.PrettyPrinter(indent=2)

复制代码

自身节点的标识符如下。

In [5]:

1. import pprint
   
2. pp = pprint.PrettyPrinter(indent=2)

复制代码

Out[5]:
'7d10057a10364156aa9ac7b92ce3c34e'

一旦实例化，将创建第一个区块

• index：索引为1
• previous_hash：初始的hash值1
• length：链条的长度显然是1
  

In [6]:

1. b = Blockchain()
   
2. pp.pprint(full_chain(b))

复制代码

开始创建第一个街区

1. { 'chain': [ { 'index': 1,
   
2.                'previous_hash': 1,
   
3.                'proof': 100,
   
4.                'timestamp': 1516245610.8226993,
   
5.                'transactions': []}],
   
6.   'length': 1}

复制代码

In [7]:

1. newblock = mine(b)
   
2. pp.pprint(newblock)

复制代码

1. { 'index': 2,
   
2.   'message': 'New Block Forged',
   
3.   'previous_hash': 'b0879b53a4230c49e23d3c4715034e732bc07ab54f3ba16dbd0fa73860d8faee',
   
4.   'proof': 35293,
   
5.   'transactions': [ { 'amount': 1,
   
6.                       'recipient': '7d10057a10364156aa9ac7b92ce3c34e',
   
7.                       'sender': '0'}]}

复制代码

在交易环节中，只描述了采矿挖掘交易

• sender：发件人为0
• recipient：收件人标识符
• amount：金额是1
  

记录为交易。 现在我们来看看整个区块链的内容

In [8]:

1. pp.pprint(full_chain(b))

复制代码

1. { 'chain': [ { 'index': 1,
   
2.                'previous_hash': 1,
   
3.                'proof': 100,
   
4.                'timestamp': 1516245610.8226993,
   
5.                'transactions': []},
   
6.              { 'index': 2,
   
7.                'previous_hash': 'b0879b53a4230c49e23d3c4715034e732bc07ab54f3ba16dbd0fa73860d8faee',
   
8.                'proof': 35293,
   
9.                'timestamp': 1516245625.9124067,
   
10.                'transactions': [ { 'amount': 1,
    
11.                                    'recipient': '7d10057a10364156aa9ac7b92ce3c34e',
    
12.                                    'sender': '0'}]}],
    
13.   'length': 2}

复制代码

作为一个新的交易（交易），有的区块只包含挖掘结果。

我们在这里添加一个新的事务。

• 添加发件人到'foo'
• 将收件人设置为'bar'
• amount 设置为10
  

并达成交易。

In [9]:

1. index = b.new_transaction('foo', 'bar', 10)

复制代码

此时index（块的索引）是3。 上述交易存储在这个块中。

In [10]:

1. print(index)

复制代码

3

此时，从整个链条来看，上面添加的交易还没有在链上注册。

In [11]:

1. pp.pprint(full_chain(b))

复制代码

1. { 'chain': [ { 'index': 1,
   
2.                'previous_hash': 1,
   
3.                'proof': 100,
   
4.                'timestamp': 1516245610.8226993,
   
5.                'transactions': []},
   
6.              { 'index': 2,
   
7.                'previous_hash': 'b0879b53a4230c49e23d3c4715034e732bc07ab54f3ba16dbd0fa73860d8faee',
   
8.                'proof': 35293,
   
9.                'timestamp': 1516245625.9124067,
   
10.                'transactions': [ { 'amount': 1,
    
11.                                    'recipient': '7d10057a10364156aa9ac7b92ce3c34e',
    
12.                                    'sender': '0'}]}],
    
13.   'length': 2}

复制代码

挖矿并添加一个新的块。

In [12]:

1. newblock = mine(b)

复制代码

创建第3个区块，保存之前创建的事务信息和挖掘信息。

In [13]:

pp.pprint(newblock)
{ 'index': 3,  'message': 'New Block Forged',  'previous_hash': '635b05a6a3d32c78f3d23fa9ab44222616ba073cac93f064fedeafb6684ad645',  'proof': 35089,  'transactions': [ {'amount': 10, 'recipient': 'bar', 'sender': 'foo'},                    { 'amount': 1,                      'recipient': '7d10057a10364156aa9ac7b92ce3c34e',                      'sender': '0'}]}

此时整个链条的状态如下。

In [14]:
pp.pprint(full_chain(b)){ 'chain': [ { 'index': 1,               'previous_hash': 1,               'proof': 100,               'timestamp': 1516245610.8226993,               'transactions': []},             { 'index': 2,               'previous_hash': 'b0879b53a4230c49e23d3c4715034e732bc07ab54f3ba16dbd0fa73860d8faee',               'proof': 35293,               'timestamp': 1516245625.9124067,               'transactions': [ { 'amount': 1,                                   'recipient': '7d10057a10364156aa9ac7b92ce3c34e',                                   'sender': '0'}]},             { 'index': 3,               'previous_hash': '635b05a6a3d32c78f3d23fa9ab44222616ba073cac93f064fedeafb6684ad645',               'proof': 35089,               'timestamp': 1516245688.0261838,               'transactions': [ { 'amount': 10,                                   'recipient': 'bar',                                   'sender': 'foo'},                                 { 'amount': 1,                                   'recipient': '7d10057a10364156aa9ac7b92ce3c34e',                                   'sender': '0'}]}],  'length': 3}



智能合约（分布式）¶class Blockchain2（）类的实现¶

实现Blcokchain 2类包含共识算法。

另外，节点标识符被保存为一个类成员，并且在挖掘它时被修改为使用它。 （为了能够处理多个节点的块链）

（实际上，定义Node类并将Blockchain 2类作为has-a作为成员似乎更好，但是因为在Blockchain类的原始版本中引入了register_node（）或resolve_conflicts（）

In [15]:import copyBlockchainNeighbours = {}class Blockchain2(Blockchain):    def __init__(self, node_identifier):        super().__init__()        self.nodes = set()        self.node_identifier = node_identifier            def register_node(self, node_identifier):        """        Add a new node to the list of nodes        :node_identifier: <str> Node identifier of the neighbour node.        :return: None        """        self.nodes.add(node_identifier)    def valid_chain(self, chain):        """        Determine if a given blockchain is valid        :param chain: <list> A blockchain        :return: <bool> True if valid, False if not        """        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:            blockchain = BlockchainNeighbours[node]            print('node id: %s, len: %d' % (blockchain.node_identifier, len(blockchain.chain)))            # Check if the length is longer and the chain is valid            if len(blockchain.chain) > max_length and self.valid_chain(blockchain.chain):                max_length = len(blockchain.chain)                new_chain = blockchain        # Replace our chain if we discovered a new, valid chain longer than ours        if new_chain:            print("Replacing `%s' <- `%s'" % (self.node_identifier, new_chain.node_identifier))            self.chain = copy.copy(new_chain.chain)            return True        return False


In [16]:def mine2(blockchain):    # 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=blockchain.node_identifier,        amount=1,    )    # Forge the new Block by adding it to the chain    previous_hash = blockchain.hash(last_block)    block = blockchain.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 response


创建多个节点的块链¶

为三个节点创建一个块链，并注册为一个相邻节点。

In [35]:# 为节点标识符为“foo”，“bar”，“buz”的三个节点创建一个块链。foo = Blockchain2('foo')bar = Blockchain2('bar')buz = Blockchain2('buz')# 注册在相邻节点的列表中BlockchainNeighbours['foo'] = fooBlockchainNeighbours['bar'] = barBlockchainNeighbours['buz'] = buz# 'bar'，'buz'注册为'foo'节点邻居foo.register_node('bar')foo.register_node('buz')# 为“bar”，“buz”节点注册邻居bar.register_node('foo')bar.register_node('buz')buz.register_node('foo')buz.register_node('bar')

在初始状态下，所有节点的链路长度为1。

In [18]:
print('foo: %d, bar: %d, buz: %d' %(len(foo.chain), len(bar.chain), len(buz.chain)))

foo: 1, bar: 1, buz: 1

即使你试图在初始状态下解决冲突，也没有链节点长于foo节点，所以foo节点链不会改变。

In [19]:
foo.resolve_conflicts()



node id: buz, len: 1node id: bar, len: 1

Out[19]:
False





在一些节点上伸展块¶

接下来，在bar节点上挖掘并添加一个块。

In [20]:
pp.pprint(mine2(bar))
{ 'index': 2,  'message': 'New Block Forged',  'previous_hash': 'c97740db684709fd7455f413f0ad84f435236e1534caaea7cf744921b59fab3b',  'proof': 35293,  'transactions': [{'amount': 1, 'recipient': 'bar', 'sender': '0'}]}

节点的长度只有2

In [21]:
print('foo: %d, bar: %d, buz: %d' %(len(foo.chain), len(bar.chain), len(buz.chain)))



foo: 1, bar: 2, buz: 1




In [22]:
pp.pprint(foo.chain)



[ { 'index': 1,    'previous_hash': 1,    'proof': 100,    'timestamp': 1516245713.7215648,    'transactions': []}]



In [23]:
pp.pprint(bar.chain)[ { 'index': 1,    'previous_hash': 1,    'proof': 100,    'timestamp': 1516245713.7215648,    'transactions': []},  { 'index': 2,    'previous_hash': 'c97740db684709fd7455f413f0ad84f435236e1534caaea7cf744921b59fab3b',    'proof': 35293,    'timestamp': 1516245772.022711,    'transactions': [{'amount': 1, 'recipient': 'bar', 'sender': '0'}]}]



In [24]:
pp.pprint(buz.chain)
[ { 'index': 1,    'previous_hash': 1,    'proof': 100,    'timestamp': 1516245713.7215648,    'transactions': []}]



消除节点之间的冲突¶

在这种状态下，当试图解决foo节点处的冲突时，foo节点链被（更长的）节点链覆盖。

In [25]:
foo.resolve_conflicts()node id: buz, len: 1node id: bar, len: 2Replacing `foo' <- `bar'
Out[25]:
True

当冲突的解决完成时，foo节点的链长变为2。

In [26]:

print('foo: %d, bar: %d, buz: %d' %(len(foo.chain), len(bar.chain), len(buz.chain)))foo: 2, bar: 2, buz: 1





如果每个节点链的内容不同¶

接下来，考虑每个节点链的内容不同的情况。

这里我们看到foo节点和buz节点的内容不同的情况。

In [27]:
# buzノードの内容を揃えるbuz.resolve_conflicts()print('foo: %d, bar: %d, buz: %d' %(len(foo.chain), len(bar.chain), len(buz.chain)))
node id: foo, len: 2node id: bar, len: 2Replacing `buz' <- `foo'foo: 2, bar: 2, buz: 2

在这里，在foo节点添加两个块，一个块在buz节点，并且添加具有不同事务的块。

In [28]:
foo.new_transaction('AAA', 'BBB', 123)mine2(foo)foo.new_transaction('CCC', 'DDD', 456)mine2(foo)buz.new_transaction('EEE', 'FFF', 789)mine2(buz)print('foo: %d, bar: %d, buz: %d' %(len(foo.chain), len(bar.chain), len(buz.chain)))foo: 4, bar: 2, buz: 3

此时foo节点和buz节点链的内容如下。 你可以看到内容与中间不同。

In [29]:
pp.pprint(foo.chain)
[ { 'index': 1,    'previous_hash': 1,    'proof': 100,    'timestamp': 1516245713.7215648,    'transactions': []},  { 'index': 2,    'previous_hash': 'c97740db684709fd7455f413f0ad84f435236e1534caaea7cf744921b59fab3b',    'proof': 35293,    'timestamp': 1516245772.022711,    'transactions': [{'amount': 1, 'recipient': 'bar', 'sender': '0'}]},  { 'index': 3,    'previous_hash': '8791fb38c957761c7af4331d65e834691cd7aa46019faaab3d655deae86d3dbb',    'proof': 35089,    'timestamp': 1516245803.1813366,    'transactions': [ {'amount': 123, 'recipient': 'BBB', 'sender': 'AAA'},                      {'amount': 1, 'recipient': 'foo', 'sender': '0'}]},  { 'index': 4,    'previous_hash': '99e21d9dd699d831803a0ea41d08cf9b2cfa642b94d4ee5ba4a38d1773c1c5c3',    'proof': 119678,    'timestamp': 1516245803.3608067,    'transactions': [ {'amount': 456, 'recipient': 'DDD', 'sender': 'CCC'},                      {'amount': 1, 'recipient': 'foo', 'sender': '0'}]}]

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不太能理解。

pudino 发表于 2018-1-31 14:33
不太能理解。

有什么问题吗？