Тренды

Строим собственный блокчейн на Python и разбираемся в его особенностях

13.01.2021

Перед тем как начать строить блокчейн, необходимо понять его основы.

Блокчейн — это технология, используемая для записи и хранения данных. Например, он может содержать информацию о переводах, которые проводятся в любом банке, а также права собственности, соглашения, личные сообщения и другие данные.

Его главная особенность заключается в том, что хранение данных не происходит в одном центральном органе. Благодаря этому не получится сфальсифицировать данные, взломав только один главный пункт. Самое известное применение блокчейна — это Bitcoin, один из видов криптовалют.

Углубленное изучение блокчейна может вызвать трудности, а практика лучше всего помогает упростить этот процесс. Это руководство рассчитано на новичков с небольшими знаниями Python.

Требования

Убедитесь, что у вас установлена самая последняя версия Python, а также две его библиотеки — Flask и Requests.

pip install Flask request

Для создания запросов рекомендуем скачать Postman.

Начало

Создадим новый файл в Python и назовём его app.py. Сначала нам нужно написать класс Blockchain:

class Blockchain(object):

После создания конструктора добавляем пустой список для хранения блокчейна:

def __init__(self): 
 
  self.chain = []

Ещё нам понадобится список для хранения транзакций, поэтому получаем вот такой класс Blockchain:

class Blockchain(object):
    def __init__(self):
       self.chain = []
       self.current_transactions = []

Для внесения данных в эти списки создадим два метода: addBlock() и addTransaction().

def addBlock(self):
    pass

def addTransaction(self):
    pass

Пока эти функции не будут выполнять никаких действий, но скоро мы к ним вернёмся.

Далее хешируем данные, чтобы обезопасить их. Создадим метод hash(). Поскольку он статический, не забудьте добавить @staticmethod:

@staticmethod
    def hash(block):
        pass

И наконец напишем метод lastBlock():

@property
    def lastBlock(self):
        pass

Создание блока

Теперь подумаем над тем, как будет выглядеть блок. В первую очередь для него нужен индекс index и временной штамп timestamp. А как же Proof? Что это? К этому мы вернёмся позже.

Также необходимо добавить список транзакций transactions и хеш предыдущего блока previous_hash.

Внесение новых транзакций

Новые транзакции создаём с помощью метода addTransaction(). Теперь заполним его кодом.

Сначала введём несколько аргументов: self, sender, recipient, amount.

def new_transaction(self, sender, recipient, amount):

Далее добавим новую транзакцию в список:

self.current_transactions.append({
            ‘sender’: sender,
            ‘recipient’: recipient,
            ‘amount’: amount,
          })

В конце этот метод должен возвращать индекс транзакции:

return self.last_block[‘index’] + 1

Что придаёт ему такой вид:

def addTransaction(self, sender, recipient, amount):
        self.current_transactions.append({
            'sender': sender,
            'recipient': recipient,
            'amount': amount,
        })

        return self.last_block['index'] + 1

Создание нового блока

Прежде чем начать строить новые блоки, нужно создать в конструкторе один центральный блок:

self.new_block(previous_hash=1, proof=100)

Затем заполняем метод addBlock():

def addBlock(self, proof, previous_hash=None):
        block = {
            'index': len(self.chain) + 1,
            'timestamp': time(),
            'transactions': self.current_transactions,
            'proof': proof,
            'previous_hash': previous_hash or self.hash(self.chain[-1]),
        }

        self.current_transactions = []

        self.chain.append(block)
        return block

Как вы могли заметить, нужно создать метод hash(), чтобы код заработал.

@staticmethod
    def hash(block):
        block_string = json.dumps(block, sort_keys=True).encode()
        return hashlib.sha256(block_string).hexdigest()

Использовать хеширование довольно легко. По сути, это шифрование строки.

Дальше нам нужно добавить ещё один метод — lastBlock():

@property
    def last_block(self):
        return self.chain[-1]

Что такое Proof

Proof of Work (доказательство выполнения работы) — это алгоритм, основная цель которого препятствовать кибератакам, например DDoS-атаке. Впервые идея о Proof of Work (PoW) была опубликована Синтией Дворк и Мони Наором в 1993 году.

Такой алгоритм необходим для интенсивных вычислений (также называемых «майнинг»), благодаря которым ненадёжные транзакции отсекаются в отдельную группу в блокчейне.

Чтобы подтвердить надёжность таких транзакций, майнеры должны решить математическую задачу. И тот, кто решит первым, получает вознаграждение (в виде новой криптовалюты). С каждым новым блоком задачи становятся чуть сложнее. Поэтому майнерам приходится работать эффективнее. Подтверждённые же транзакции хранятся в публичном блокчейне.

Применение PoW

Теперь реализуем Proof of Work для нашего блокчейна со следующей задачей:

Найти число х. Когда оно хешируется предыдущим решением блока, создаётся хеш с 2 заглавными нулями.

Чтобы её внести, добавим следующие модули:

import hashlib
import json
 
from time import time
from uuid import uuid4

Напишем два новых методов:

def proof_of_work(self, last_proof):

И:

@staticmethod
   def valid_proof(last_proof, proof):

Заполним их вот так:

def proof_of_work(self, last_proof):
        proof = 0
        while self.valid_proof(last_proof, proof) is False:
            proof += 1

        return proof

    @staticmethod
    def valid_proof(last_proof, proof):

        guess = f'{last_proof}{proof}'.encode()
        guess_hash = hashlib.sha256(guess).hexdigest()
        return guess_hash[:4] == "0000"

Применение Flask для API

Конечно, строить блокчейн интересно, но теперь пришло время его использовать. И у Python есть прекрасный модуль Flask, чтобы создать API. Добавим немного базового кода Flask:

from flask import Flask
app = Flask(__name__)
node_identifier = str(uuid4()).replace('-', '')
blockchain = Blockchain()
@app.route('/mine', methods=['GET'])
def mine():
    return "Mining a new Block"
  
@app.route('/transactions/new', methods=['POST'])
def new_transaction():
    return "Adding 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)

Подробнее о Flask можно узнать из его документации.

Новые транзакции

Конечная точка новых транзакций для API будет выглядеть таким образом. Довольно легко, ведь мы уже писали подобный метод:

@app.route('/transactions/new', methods=['POST'])
def newTransaction():
    values = request.get_json()
required = ['sender', 'recipient', 'amount']
    if not all(k in values for k in required):
        return 'Missing values', 400
index = blockchain.new_transaction(values['sender'], values['recipient'], values['amount'])
response = {'message': f'Transaction will be added to Block {index}'}
    return jsonify(response), 201

Конечная точка майнинга

Здесь нам нужно добавить немного кода перед тем как заработает точка майнинга. И должно произойти лишь:

· доказательная работа;

· вознаграждения майнера;

· новый блок + добавление его к блокчейну.

@app.route('/mine', methods=['GET'])
    def mine():
        last_block = blockchain.last_block
        last_proof = last_block['proof']
        proof = blockchain.proof_of_work(last_proof)
        blockchain.new_transaction(
            sender="0",
            recipient=node_identifier,
            amount=1,
        )
        previous_hash = blockchain.hash(last_block)
        block = blockchain.new_block(proof, previous_hash)
response = {
            'message': "New Block Created",
            'index': block['index'],
            'transactions': block['transactions'],
            'proof': block['proof'],
            'previous_hash': block['previous_hash'],
        }
        return jsonify(response), 200

Запуск API блокчейна

Запустим API, открыв программу Python:

$ python app.py
$ Running on http://127.0.0.1:5000/ (Press CTRL+C to quit)

Для майнинга блока можно использовать Postman или Curl:

$ curl -X POST -H "Content-Type: application/json" -d '{
 "sender": "d4ee26eee15148ee92c6cd394edd974e",
 "recipient": "address2",
 "amount": 5
}' "http://localhost:5000/transactions/new"

А узнать количество замайненных блоков можно на http://localhost:5000/chain. Появится цепь в формате JSON:

{
  "chain": [
    {
      "index": 1,
      "previous_hash": 1,
      "proof": 100,
      "timestamp": 1606910340,
      "transactions": []
    },
}

Полный код

mport requests
from time import time
import hashlib
import json
from flask import Flask
from time import time
from uuid import uuid4


class Blockchain(object):
    app = Flask(__name__)
    node_identifier = str(uuid4()).replace('-', '')

    blockchain = Blockchain()

    @app.route('/mine', methods=['GET'])
    def mine():
  
        last_block = blockchain.last_block
        last_proof = last_block['proof']
        proof = blockchain.proof_of_work(last_proof)

    
        blockchain.new_transaction(
            sender="0",
            recipient=node_identifier,
            amount=1,
        )

        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

    @app.route('/transactions/new', methods=['POST'])
    def newTransaction():
        values = request.get_json()

        required = ['sender', 'recipient', 'amount']
        if not all(k in values for k in required):
            return 'Missing values', 400


        index = blockchain.new_transaction(
            values['sender'], values['recipient'], values['amount'])

        response = {'message': f'Transaction will be added to Block {index}'}
        return jsonify(response), 201

    @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)

    def __init__(self):
        self.chain = []
        self.current_transactions = []

    def proof_of_work(self, last_proof):
        proof = 0
        while self.valid_proof(last_proof, proof) is False:
            proof += 1

        return proof

    @staticmethod
    def valid_proof(last_proof, proof):

        guess = f'{last_proof}{proof}'.encode()
        guess_hash = hashlib.sha256(guess).hexdigest()
        return guess_hash[:4] == "0000"

    def addBlock(self, proof, previous_hash=None):
        block = {
            'index': len(self.chain) + 1,
            'timestamp': time(),
            'transactions': self.current_transactions,
            'proof': proof,
            'previous_hash': previous_hash or self.hash(self.chain[-1]),
        }

        self.current_transactions = []

        self.chain.append(block)
        return block

    def addTransaction(self, sender, recipient, amount):
        self.current_transactions.append({
            'sender': sender,
            'recipient': recipient,
            'amount': amount,
        })

        return self.last_block['index'] + 1

    @staticmethod
    def hash(block):
        block_string = json.dumps(block, sort_keys=True).encode()
        return hashlib.sha256(block_string).hexdigest()

    @property
    def last_block(self):
        return self.chain[-1]

Заключение

На этом всё. Вот как вы можете создать простой блокчейн на Python!

Строим собственный блокчейн на Python и разбираемся в его особенностях

Требования

Начало

Создание блока

Внесение новых транзакций

Создание нового блока

Что такое Proof

Применение PoW

Применение Flask для API

Новые транзакции

Конечная точка майнинга

Запуск API блокчейна

Полный код

Заключение

Читайте также

Анализ социальных сетей: от теории графов до приложений на Python

Безградиентный подход к оптимизации нейронной сети

Архитектура ПО: создайте свое приложение с AWS

Тесты

Насколько хорошо вы разбираетесь в PHP?

Насколько хорошо вы знакомы с Mac?

Насколько хорошо вы разбираетесь в концепциях баз данных?