python區塊鏈基本原型簡版實現示例
說明
本文根據https://github.com/liuchengxu/blockchain-tutorial的內容,用python實現的,但根據個人的理解進行瞭一些修改,大量引用瞭原文的內容。文章末尾有"本節完整源碼實現地址"。
引言
區塊鏈是 21 世紀最具革命性的技術之一,它仍然處於不斷成長的階段,而且還有很多潛力尚未顯現。 本質上,區塊鏈隻是一個分佈式數據庫而已。 不過,使它獨一無二的是,區塊鏈是一個公開的數據庫,而不是一個私人數據庫,也就是說,每個使用它的人都有一個完整或部分的副本。 隻有經過其他“數據庫管理員”的同意,才能向數據庫中添加新的記錄。 此外,也正是由於區塊鏈,才使得加密貨幣和智能合約成為現實。
在本系列文章中,我們將實現一個簡化版的區塊鏈,並基於它來構建一個簡化版的加密貨幣。
區塊
首先從 “區塊” 談起。在區塊鏈中,真正存儲有效信息的是區塊(block)。而在比特幣中,真正有價值的信息就是交易(transaction)。實際上,交易信息是所有加密貨幣的價值所在。除此以外,區塊還包含瞭一些技術實現的相關信息,比如版本,當前時間戳和前一個區塊的哈希。
不過,我們要實現的是一個簡化版的區塊鏈,而不是一個像比特幣技術規范所描述那樣成熟完備的區塊鏈。所以在我們目前的實現中,區塊僅包含瞭部分關鍵信息,它的數據結構如下:
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 | 解釋 |
---|---|
_magic_no | 魔數 |
_block_header | 區塊頭 |
_transactions | 交易 |
這裡的_magic_no, _block_header, _transactions, 也是比特幣區塊的構成部分,這裡我們簡化瞭一部分信息。在真正的比特幣中,區塊 的數據結構如下:
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 |
區塊頭
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 | 解釋 |
---|---|
timestamp | 當前時間戳,也就是區塊創建的時間 |
prev_block_hash | 前一個塊的哈希,即父哈希 |
hash | 當前塊頭的哈希 |
hash_merkle_root | 區塊存儲的交易的merkle樹的根哈希 |
我們這裡的 timestamp,prev_block_hash, Hash,hash_merkle_root, 在比特幣技術規范中屬於區塊頭(block header),區塊頭是一個單獨的數據結構。
完整的 比特幣的區塊頭(block header)結構 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 |
我們的簡化版的區塊頭裡,hash和hash_merkle_root是需要計算的。hash_merkle_root暫且不管留空,它是由區塊中的交易信息生成的merkle樹的根哈希。
而hash的計算如下:
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)
區塊鏈
有瞭區塊,下面讓我們來實現區塊鏈。本質上,區塊鏈就是一個有著特定結構的數據庫,是一個有序,每一個塊都連接到前一個塊的鏈表。也就是說,區塊按照插入的順序進行存儲,每個塊都與前一個塊相連。這樣的結構,能夠讓我們快速地獲取鏈上的最新塊,並且高效地通過哈希來檢索一個塊。
class BlockChain(object): def __init__(self): self.blocks = []
這就是我們的第一個區塊鏈!就是一個list。
我們還需要一個添加區塊的函數:
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)
為瞭加入一個新的塊,我們必須要有一個已有的塊,但是,初始狀態下,我們的鏈是空的,一個塊都沒有!所以,在任何一個區塊鏈中,都必須至少有一個塊。這個塊,也就是鏈中的第一個塊,通常叫做創世塊(genesis block). 讓我們實現一個方法來創建創世塊:
# 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, '')
上面分別對應三個函數分別對應鏈中創世塊生成,創世塊生成,和創世塊頭的生成。
創世塊高度為0。這裡我們暫時還沒有交易類,交易暫時用字符串代替。prev_block_hash和hash_merkle_root都暫時留空。
讓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')
最後再進行簡單的測試:
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()
輸出:
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))
總結
我們創建瞭一個非常簡單的區塊鏈原型:它僅僅是一個數組構成的一系列區塊,每個塊都與前一個塊相關聯。真實的區塊鏈要比這復雜得多。在我們的區塊鏈中,加入新的塊非常簡單,也很快,但是在真實的區塊鏈中,加入新的塊需要很多工作:你必須要經過十分繁重的計算(這個機制叫做工作量證明),來獲得添加一個新塊的權力。並且,區塊鏈是一個分佈式數據庫,並且沒有單一決策者。因此,要加入一個新塊,必須要被網絡的其他參與者確認和同意(這個機制叫做共識(consensus))。還有一點,我們的區塊鏈還沒有任何的交易!
參考:
[1] basic-prototype
[2] 完整實現源碼
以上就是python區塊鏈基本原型簡版實現示例的詳細內容,更多關於python區塊鏈基本原型的資料請關註WalkonNet其它相關文章!
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