Learn Blockchains by Building One
https://t.me/nuancesprogПеред тем как мы начнем…
Обратите внимание, что блокчейн – это неизменяемая последовательная цепочка записей, называемых Блоками. Они могут состоять из транзакций, файлов, или любой другой информации, которая вам необходима. Но самым важным здесь является то, что все они связаны вместе с помощью хэшей.
Если вы не уверены в том, что такое хэш, то вот объяснение.
На кого нацелен данный туториал?
У вас не должно возникать трудностей с чтением синтаксиса и написанием базовых вещей на Python. Кроме того, у вас должно быть понимание того, как работают HTTP-запросы, поскольку обращаться к нашему Блокчейну мы будем именно через них.
Что вам необходимо?
Убедитесь в том, что у вас установлен Python 3.6+ (также как и pip). Вам также необходимо установить библиотеку Flask и прекрасную библиотеку Request:
pip install Flask==0.12.2 requests==2.18.4
О, вам также понадобится HTTP-клиент, наподобие Postman или cURL. Но все будет дальше.
Где можно найти окончательную версию?
Исходный код будет доступен здесь.
Шаг 1: Создаем свой блокчейн
Запустите ваш любимый редактор кода или IDE, лично мне нравится PyCharm. Создайте новый файл с названием blockchain.py. Мы будем использовать только один файл, но если вы вдруг запутаетесь, то всегда можете обратиться к исходному коду.
Представление Блокчейна
Создадим класс Blockchain, конструктор которого будет создавать изначально пустой список (для хранения нашего блокчейна), и еще один для хранения транзакций. Ниже приведен макет нашего класса:
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
Наш класс blockchain отвечает за управление цепочкой. В нем будут хранится транзакции и некоторые вспомогательные методы для добавления блоков в цепочку. Давайте же начнем использовать некоторые из методов.
Что из себя представляет Блок?
Каждый блок содержит в себе индекс, временную метку (timestamp, по Unix времени), список транзакций, доказательность (proof, подробнее об этом позже) и хэш предыдущего Блока.
Далее приведен пример того, как выглядит отдельный Блок:
block = {
'index': 1,
'timestamp': 1506057125.900785,
'transactions': [
{
'sender': "8527147fe1f5426f9dd545de4b27ee00",
'recipient': "a77f5cdfa2934df3954a5c7c7da5df1f",
'amount': 5,
}
],
'proof': 324984774000,
'previous_hash': "2cf24dba5fb0a30e26e83b2ac5b9e29e1b161e5c1fa7425e73043362938b9824"
}
На данном этапе идея цепочки должна быть очевидна – каждый новый блок внутри себя содержит хэш предыдущего Блока. Именно наличие предыдущего хэша является решающим фактором, который делает блокчейны неизменяемыми. Если хакер повредит один из начальных блоков (любой предыдущий блок), то вся последовательность блоков будет содержать в себе некорректный хэш.
Какой в этом смысл? Если это не так, то потребуется некоторое количество времени для того, чтобы понять, что вообще происходит – это и есть ключевая идея блокчейнов.
Добавление транзакций в блок
Итак, нам понадобится способ добавления транзакций в блок. Наш метод new_transaction() отвечает за это, и он довольно простой:
class Blockchain(object):
...
def new_transaction(self, sender, recipient, amount):
"""
Creates a new transaction to go into the next mined Block
: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
После того, как наш метод добавил транзакцию в список, то он возвращает индекс блока, в который будет добавлена транзакция – следующий искомый блок. Позже, для пользователя, отправляющего транзакцию, это будет полезно.
Создание новых блоков, чтобы реализовать свой блокчейн
После того, как мы создали экземпляр нашего Блокчейна, нам необходимо заполнить его исходным блоком – блок у которого нет предшественников. Также нам необходимо добавить «proof» в наш исходный блок, который является результатом анализа (или алгоритма «доказательство выполнения работы»). По поводу анализа мы поговорим позднее.
Кроме этого, для создания исходного блока в нашем конструкторе, нам также необходимо добавить следующие методы: new_block(), new_transaction() и hash():
import hashlib
import json
from time import time
class Blockchain(object):
def __init__(self):
self.current_transactions = []
self.chain = []
# Create the genesis block
self.new_block(previous_hash=1, proof=100)
def new_block(self, proof, previous_hash=None):
"""
Create a new Block in the Blockchain
:param proof: <int> The proof given by the Proof of Work algorithm
:param previous_hash: (Optional) <str> Hash of previous Block
:return: <dict> New Block
"""
block = {
'index': len(self.chain) + 1,
'timestamp': time(),
'transactions': self.current_transactions,
'proof': proof,
'previous_hash': previous_hash or self.hash(self.chain[-1]),
}
# Reset the current list of transactions
self.current_transactions = []
self.chain.append(block)
return block
def new_transaction(self, sender, recipient, amount):
"""
Creates a new transaction to go into the next mined Block
: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
@property
def last_block(self):
return self.chain[-1]
@staticmethod
def hash(block):
"""
Creates a SHA-256 hash of a Block
:param block: <dict> Block
:return: <str>
"""
# We must make sure that the Dictionary is Ordered, or we'll have inconsistent hashes
block_string = json.dumps(block, sort_keys=True).encode()
return hashlib.sha256(block_string).hexdigest()
Код выше должен быть всем ясен и понятен – я добавил некоторое количество комментариев и немного строк документации, чтобы все было максимально прозрачно. Мы практически закончили с представлением нашего блокчейна. Однако на данном этапе, вы должны быть удивлены тому как новые блоки создаются, формируются и майнятся.
Разбираемся с алгоритмом «Доказательство выполнения работы»
Алгоритм «Доказательство выполнения работы» (PoW) – это то, как новые блоки создаются или майнятся в блокчейне. Целью алгоритма PoW является нахождение такого числа (метки), которое будет решать проблему. Число должно быть таким, чтобы его было сложно найти и легко проверить. Говоря в вычислительном отношении не важно кем в сети это может быть сделано. В этом и заключается основная идея данного алгоритма.
Итак, давайте взглянем на простой пример, которой поможет нам во всем разобраться.
Предположим, что хэш некоторого целочисленного числа x, умноженного на другое целочисленное число y, должен заканчиваться на 0. Следовательно, hash(x * y) = ac23dc…0. И для нашего упрощенного примера исправим x на 5. Реализуем это в Python:
from hashlib import sha256
x = 5
y = 0 # We don't know what y should be yet...
while sha256(f'{x*y}'.encode()).hexdigest()[-1] != "0":
y += 1
print(f'The solution is y = {y}')
Решением здесь будет y=21. Поскольку полученный хэш заканчивается на 0:
hash(5 * 21) = 1253e9373e...5e3600155e860
В сфере Биткоинов, алгоритм «Доказательство выполнения работы» называется Hashcash. И он не сильно отличается от нашего базового примера выше. Это алгоритм, который майнеры используют в гонке по решению задачи создания новых блоков. Как правило, сложность определяется количеством символов, которые необходимо обнаружить в строке. После чего майнеры получают награду за свое решение в качестве биткойна при транзакции.
Сеть может легко проверить их решение.
Реализация простого алгоритма PoW
Давайте реализуем простой алгоритм для того, чтобы реализовать свой блокчейн. Наше правило будет аналогично приведенному выше примеру:
Ищем число p, которое при хэшировании с решением предыдущего блока будет создавать хэш с четырьмя лидирующими нулями.
import hashlib
import json
from time import time
from uuid import uuid4
class Blockchain(object):
...
def proof_of_work(self, last_proof):
"""
Simple Proof of Work Algorithm:
- Find a number p' such that hash(pp') contains leading 4 zeroes, where p is the previous p'
- p is the previous proof, and p' is the new proof
:param last_proof: <int>
:return: <int>
"""
proof = 0
while self.valid_proof(last_proof, proof) is False:
proof += 1
return proof
@staticmethod
def valid_proof(last_proof, proof):
"""
Validates the Proof: Does hash(last_proof, proof) contain 4 leading zeroes?
:param last_proof: <int> Previous Proof
:param proof: <int> Current Proof
:return: <bool> True if correct, False if not.
"""
guess = f'{last_proof}{proof}'.encode()
guess_hash = hashlib.sha256(guess).hexdigest()
return guess_hash[:4] == "0000"
Для регулирования сложности алгоритма, мы можем модифицировать количество лидирующих нулей. Одна четырех будет достаточно. Вы можете попробовать сами и понять, что добавление одного единственного лидирующего нуля приведет к гигантской разнице во времени поиска решения.
Наш класс практически готов, и мы готовы начать взаимодействовать с ним посредствам HTTP-запросов.
Шаг 2: Свой блокчейн в качестве API
Мы будем использовать фреймворк Flask. Данный микро-фреймворк упрощает размещение конечных точек (endpoints) в Python-функциях. Это позволит нам обращаться к нашему блокчейну за счет веб-соединения с помощью HTTP-запросов.
Создадим три метода:
- /transactions/new для создания новой транзакции в блоке;
- /mine для передачи нашему серверу информации о том, что пора майнить новый блок;
- /chain для возврата всего Блокчейна.
Настраиваем Flask для того, чтобы реализовать свой блокчейн
Наш «сервер» будет формировать одиночный узел в нашей блокчейн-сети. Давайте напишем некоторый шаблонный код:
import hashlib
import json
from textwrap import dedent
from time import time
from uuid import uuid4
from flask import Flask
class Blockchain(object):
...
# Instantiate our Node
app = Flask(__name__)
# Generate a globally unique address for this node
node_identifier = str(uuid4()).replace('-', '')
# Instantiate the Blockchain
blockchain = Blockchain()
@app.route('/mine', methods=['GET'])
def mine():
return "We'll mine a new Block"
@app.route('/transactions/new', methods=['POST'])
def new_transaction():
return "We'll add a new transaction"
@app.route('/chain', methods=['GET'])
def full_chain():
response = {
'chain': blockchain.chain,
'length': len(blockchain.chain),
}
return jsonify(response), 200
if __name__ == '__main__':
app.run(host='0.0.0.0', port=5000)
Небольшое пояснение того, что мы добавили в примере выше:
- Строка 15: Создаем экземпляр узла. Более подробно узнать о Flask можно здесь.
- Строка 18: Генерируем случайное имя для нашего узла;
- Строка 21: Создаем экземпляр класса Blockchain;
- Строки 24-26: Создаем endpoint для метода /mine, который является GET-запросом;
- Строки 28-30: Создаем endpoint для метода /transactions/new, который является POST-запросом, поскольку мы будем отправлять сюда данные;
- Строки 32-38: Создаем endpoint для метода /chain, который будет возвращать весь Блокчейн;
- Строки 40-41: Запускаем наш сервер на порт 5000.
Endpoint для транзакций
Вот так будет выглядеть запрос транзакции. То есть, именно эту информацию пользователь отправляет на сервер:
{
"sender": "my address",
"recipient": "someone else's address",
"amount": 5
}
В силу того, что мы уже создали методы для нашего класса, отвечающие за добавление транзакции в блок, то осталась самая простая часть. Давайте напишем функцию, которая будет добавлять наши транзакции:
import hashlib
import json
from textwrap import dedent
from time import time
from uuid import uuid4
from flask import Flask, jsonify, request
...
@app.route('/transactions/new', methods=['POST'])
def new_transaction():
values = request.get_json()
# Check that the required fields are in the POST'ed data
required = ['sender', 'recipient', 'amount']
if not all(k in values for k in required):
return 'Missing values', 400
# Create a new Transaction
index = blockchain.new_transaction(values['sender'], values['recipient'], values['amount'])
response = {'message': f'Transaction will be added to Block {index}'}
return jsonify(response), 201
Endpoint для майнинга
Наш endpoint майнинга – это то, где происходит магия, и в ней нет ничего сложного. Здесь совершаются три следующих вещи:
- Расчет алгоритма PoW;
- Майнер(ы) получают награду в виде транзакции, которая гарантируем им 1 биткойн;
- Формирование нового блока, путем его добавления в цепочку.
import hashlib
import json
from time import time
from uuid import uuid4
from flask import Flask, jsonify, request
...
@app.route('/mine', methods=['GET'])
def mine():
# 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=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 jsonify(response), 200
Обратите внимание, что получателем замайненного блока является адрес нашего узла. И большинство из того, что мы здесь сделали, просто взаимодействует с методами нашего класса Blockchain. На данном этапе мы закончили с подготовкой нашего блокчейна и теперь готовы взаимодействовать с ним.
Шаг 3: Взаимодействие с нашим Блокчейном
Вы можете использовать простой, но уже устаревший cURL или Postman, для взаимодействия с нашим API через сеть.
Запускаем наш сервер:
$ python blockchain.py * Running on http://127.0.0.1:5000/ (Press CTRL+C to quit)
Давайте попробуем смайнить блок. Для этого воспользуемся GET-запросом на http://localhost:5000/mine:
Создадим новую транзакцию с помощью POST-запроса на http://localhost:5000/transactions/new с телом, содержащим структуру нашей транзакции:
Если не хотите использовать Postman, то вы можете сделать аналогичные запрос с помощью cURL:
$ curl -X POST -H "Content-Type: application/json" -d '{
"sender": "d4ee26eee15148ee92c6cd394edd974e",
"recipient": "someone-other-address",
"amount": 5
}' "http://localhost:5000/transactions/new"
Я перезагрузил свой сервер, и смайнил два блока, чтобы в итоге получилось три. Давайте проверим всю цепочку, с помощью запроса на http://localhost:5000/chain:
{
"chain": [
{
"index": 1,
"previous_hash": 1,
"proof": 100,
"timestamp": 1506280650.770839,
"transactions": []
},
{
"index": 2,
"previous_hash": "c099bc...bfb7",
"proof": 35293,
"timestamp": 1506280664.717925,
"transactions": [
{
"amount": 1,
"recipient": "8bbcb347e0634905b0cac7955bae152b",
"sender": "0"
}
]
},
{
"index": 3,
"previous_hash": "eff91a...10f2",
"proof": 35089,
"timestamp": 1506280666.1086972,
"transactions": [
{
"amount": 1,
"recipient": "8bbcb347e0634905b0cac7955bae152b",
"sender": "0"
}
]
}
],
"length": 3
}
Шаг 4: Консенсус
Пока, все что мы делали, это круто. Мы получили базовый Блокчейн, который может принимать транзакции, тем самым позволяя нам майнить новые Блоки. Однако вся суть Блокчейнов заключается в том, что они должны быть децентрализованы. Но если блокчейны децентрализованы, то как мы можем гарантировать, что все они отражают одну и ту же цепочку? Данная проблема называется проблемой Консенсуса (конфликтов). Мы реализуем алгоритм Консенсуса, если мы конечно хотим, чтобы в нашей сети было больше одного узла.
Регистрация новых узлов
Перед тем как мы сможем реализовать алгоритм Консенсуса, нам необходимо придумать способ, как наши узлы будут знать о своих «соседях» в сети. Каждый узел в нашей сети будет хранить в себе запись о других узлах в сети. Итак, нам необходимо еще некоторое количество endpoint-ов:
- /nodes/register чтобы можно было принимать список новых узлов в форме URL;
- /nodes/resolve для реализации нашего алгоритма Консенсуса, который разрешит любые конфликтные ситуации, чтобы каждый узел содержал корректную цепочку.
Для всего этого нам необходимо модифицировать конструктор нашего Блокчейна, и предоставить метод по регистрации узлов:
...
from urllib.parse import urlparse
...
class Blockchain(object):
def __init__(self):
...
self.nodes = set()
...
def register_node(self, address):
"""
Add a new node to the list of nodes
:param address: <str> Address of node. Eg. 'http://192.168.0.5:5000'
:return: None
"""
parsed_url = urlparse(address)
self.nodes.add(parsed_url.netloc)
Обратите внимание, что мы использовали set() для хранения списка узлов. Это самый дешёвый способ гарантировать, что новый узлы будут добавляться, не изменяя при этом объект, то есть не важно сколько раз мы добавляли определенный узел, он появится ровно один раз.
Реализация алгоритма Консенсуса
Как уже было сказано, конфликтная ситуация – это когда один узел содержит цепочку отличную от той, что есть в другом узле. Для решения этого, мы создадим правило, что наиболее длинная, прошедшая проверку, цепочка будет являться достоверной. Другими словами, самая длинная цепочка в сети будет фактической. При использовании данного алгоритма, мы достигаем консенсуса среди всех узлов в нашей сети.
...
import requests
class Blockchain(object)
...
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:
response = requests.get(f'http://{node}/chain')
if response.status_code == 200:
length = response.json()['length']
chain = response.json()['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
Первый метод valid_chain () отвечает за проверку цепочки на корректность, путем прогонки её по циклу через каждый блок, в котором сравнивается хэш и proof.
resolve_conflicts() – это метод который в цикле проходит по всем соседним узлам, скачивает их цепочки и проверяет их, используя метод выше. Если найдена необходимая цепочка, то мы заменяем текущую на эту.
Давайте зарегистрируем два endpoint-а в нашем API, один будет предназначен для добавления соседних узлов, а второй для разрешения конфликтных ситуаций.
@app.route('/nodes/register', methods=['POST'])
def register_nodes():
values = request.get_json()
nodes = values.get('nodes')
if nodes is None:
return "Error: Please supply a valid list of nodes", 400
for node in nodes:
blockchain.register_node(node)
response = {
'message': 'New nodes have been added',
'total_nodes': list(blockchain.nodes),
}
return jsonify(response), 201
@app.route('/nodes/resolve', methods=['GET'])
def consensus():
replaced = blockchain.resolve_conflicts()
if replaced:
response = {
'message': 'Our chain was replaced',
'new_chain': blockchain.chain
}
else:
response = {
'message': 'Our chain is authoritative',
'chain': blockchain.chain
}
return jsonify(response), 200
На этом этапе вы можете задействовать любое количество машин, по вашему усмотрению, и реализовать различные узлы в вашей сети. Или же реализовать все то же самое на одной машине, используя разные порты. Я это реализовал вторым способом, используя разные порты. То есть, я зарегистрировал другой узел, уже с имеющимся узлом. Итак, у меня есть два узла: http://localhost:5000 и http://localhost:5001.
После чего я замайнил новые блоки на узел 2, для того чтобы цепочка стала длиннее. Потом, я вызвал GET /nodes/resolve на узел 1, где цепочка была заменена по алгоритму Консенсуса:
И это просто обёртка… Объединитесь с друзьями для того, чтобы затестить свой Блокчейн.
Итак, мы с вами написали свой блокчейн. Я надеюсь, что данная статья способствует тому, что вы создадите что-то новое для себя.
Дополнение: Также планирую продолжить со второй частью статьи, где мы будем расширять свой блокчейн, для того чтобы у нас был свой механизм проверки транзакций. Кроме того, обсудим некоторые способы, с помощью которых вы сможете запустить свой Блокчейн в работу.
Перевод статьи: Learn Blockchains by Building One