Python从零开始构建区块链之数据层理解
2018-04-05 本文已影响132人
WallisW
前言
比特币在2017可谓是十足地火爆了，那他背后依赖的区块链技术又是如何实现的呢？当下对区块链人才的需求更是迫切中的迫切，或许在2018将火爆各个行业。
本次系列文章将从实际代码出发，来构建你对区块链技术的认知。
写代码之前
基础技能要求
1.简单的Python基础
2.对HTTP请求有基本的认知
3.面向对象编程思维
4.区块链基本定义
开发环境准备
1.Python3.6
Mac自带的Python为2.7，这里我们需要重新安装Python3.6
1.1确保电脑安装了套件管理工具 Homebrew，如果没有请在命令行执行以下命令安装：
/usr/bin/ruby -e "$(curl -fsSL https://raw.githubusercontent.com/Homebrew/install/master/install)"
1.2 验证是否安装成功,该命令也可以检验电脑是否安装了Homebrew
brew doctor
1.3安装Python3.6
brew install python3
1.4查看Python路径
// 系统自带的python2.7，目录为/usr/bin/python
which python
//brew安装的python3.4,目录为/usr/local/bin/python3
which python3
1.4查看Python路径.png
1.5使用
// 系统自带的
python a.py
//brew安装的
python3 a.py
2.python包管理工具:Pip
一般我们安装python3时自带了Pip，如果没有在命令行用HomeBrew安装：
brew install pip
2.1 配置pipenv:
//安装 pipenv
pip install pipenv
//创建virtual env
pipenv --python=python3.6
//安装依赖
pipenv install
3.Python IDE
这一项不是必须的，我们可以在命令行vi或记事本里写python代码。当然习惯使用IDE的童鞋也可以选择使用IDE，笔者这里使用的Python IDE为Pycharm专业版(自行百度PoJie教程）
4.flask网络框架
我们后期理解了区块链的底层数据结构后，在网络层实现节点同步和网络共识时会使用到flask网络框架。这里，暂且提一下，本文内容暂时不会用到。
5.接口调试工具
同时后期进行区块链网络编程时还需要一个HTTP客户端，比如Postman，cURL或其它客户端。这里我使用的是Postman
)
废话少说撸代码
我们知道区块链是有一个个区块构成，而区块内又包含了基本的区块信息和若干个交易信息，一个交易信息就是对一笔交易的结构封装(附带了哈希值等值以防止交易被篡改)。我们今天就从区块链的最下层数据结构交易开始层层分析，直到构成一个完整的区块链。
打开Pycharm新建一个Python项目并新建一个文件：blockchain.py(使用Vi或记事本开发的直接新建该文件)
交易类
Transaction用来简单描述一笔交易的主要信息
class Transaction: #交易类
def __init__(self,
payer, #付款方
recer, #收款方
count): #金额
self.payer = payer
self.recer = recer
self.count = count
self.timestamp = datetime.datetime.now()
def __repr__(self):
return str(self.payer) + " pay" + str(self.recer) + " " + str(self.count) + " in " + str(self.timestamp)
交易记录类
ChaorsMessage类用来封装一笔交易，并引入哈希加密机制防止交易数据与时间或者交易链被篡改。
#交易链的简单实现
ChaorsMessage
import datetime #获取时间的库
import hashlib #哈希函数库
from Transaction import Transaction #引入交易类
class ChaorsMessage: #交易记录类
def __init__(self, data):
self.data = data # 交易信息
self.hash = None #自身哈希
self.prev_hash = None #上一个交易记录的哈希
self.timestamp = datetime.datetime.now()
self.payload_hash = self._hash_payload() #锁定哈希
def _hash_payload(self): #交易哈希
return hashlib.sha256((str(self.timestamp) + str(self.data)).encode("utf-8")).hexdigest()
def _hash_message(self): #交易记录哈希，锁定交易(哈希再哈希)
return hashlib.sha256((str(self.prev_hash) + str(self.payload_hash)).encode("utf-8")).hexdigest()
#密封，相当于将交易信息封装为一个带哈希验证值的数据结构 使得交易信息(包括交易数据和时间，交易链接的顺序)不能被修改
def seal(self):
self.hash = self._hash_message() #对应数据锁定
def validate(self): #验证交易记录是否合法
if self.payload_hash != self._hash_payload():
raise InvalidMessage("交易数据与时间被修改" + str(self))
if self.hash != self._hash_message(): #判断消息链
raise InvalidMessage("交易的哈希链接被修改" + str(self))
return "data ok" + str(self)
def __repr__(self): #返回对象基本信息
mystr = "hash:{}, prev_hash:{}, data:{}".format(self.hash, self.prev_hash, self.data)
return mystr
def link(self, message): #链接
self.prev_hash = message.hash
class InvalidMessage(Exception): #异常处理类
def __init__(self, *args, **kwargs):
Exception.__init__(self, *args, **kwargs)
f __name__ == '__main__': #单独模块测试
try:
t1 = Transaction("chaors", "yajun", 999999999)
t2 = Transaction("chaors2", "yajun2", 999999999)
m1 = ChaorsMessage(t1)
m2 = ChaorsMessage(t2)
#交易密封
m1.seal()
#交易哈希只有密封之后才能link
m2.link(m1)
m2.seal()
m1.validate()
m2.validate()
#篡改数据 篡改数据后会捕获到异常
# m2.data = "hahahaha"
# m2.validate()
#
m2.prev_hash = "kkkkk"
# print(m2)
m2.validate()
except InvalidMessage as e:
print(e)
Block类
每个区块包含属性：索引（index），Unix时间戳（timestamp），交易列表（transactions），工作量证明（下次讲这个，这里暂时搁置）以及前一个区块的Hash值。
以下是一个区块的结构：
block = {
'index': 1,
'timestamp': 1506057125.900785,
'transactions': [
{
'sender': "8527147fe1f5426f9dd545de4b27ee00",
'recipient': "a77f5cdfa2934df3954a5c7c7da5df1f",
'amount': 5,
}
],
'proof': 324984774000,
'previous_hash': "2cf24dba5fb0a30e26e83b2ac5b9e29e1b161e5c1fa7425e73043362938b9824"
}
到这里，区块链的概念就清楚了，每个新的区块都包含上一个区块的Hash，这是关键的一点，它保障了区块链不可变性。如果攻击者破坏了前面的某个区块，那么后面所有区块的Hash都会变得不正确。
import datetime
import hashlib
from Message import ChaorsMessage
from Message import InvalidMessage
from Transaction import Transaction
class Block:
def __init__(self, *args):
self.messagelist = [] #存储多个交易记录
self.timestamp = None #当前时间戳
self.hash = None;
self.prev_hash = None
#遍历交易参数，将所有交易加入到交易列表内
if args:
for arg in args:
self.add_message(arg)
def add_message(self, msg): #增加交易信息
#区分第一条和后面的 判断是否需要链接
if len(self.messagelist) > 0:
msg.link(self.messagelist[-1])
msg.seal()
msg.validate()
self.messagelist.append(msg)
def link(self, block): #链接
#当前区块的上个哈希值为上个区块哈希值，将区块连接起来
block.hash = self.prev_hash
def seal(self): #区块封装，带有时间戳和哈希值的数据结构
self.timestamp = datetime.datetime.now()
self.hash = self._hash_block()
#求区块的哈希值
def _hash_block(self):
return hashlib.sha256((str(self.prev_hash) +
str(self.timestamp) +
str(self.messagelist[-1].hash)).encode("utf-8")).hexdigest()
def validate(self): #区块合法性验证
for i, msg in enumerate(self.messagelist):
msg.validate()
if i > 0 and msg.prev_hash != self.messagelist[i-1].hash:
raise InvalidBlock("无效block，第{}条交易记录被修改".format(i)+ str(self))
return str(self) + "block ok..."
def __repr__(self):
return "block = hash:{}, prehash:{}, len:{}, time:{}".format(self.hash,
self.prev_hash,
len(self.messagelist),
self.timestamp)
class InvalidBlock(Exception): #异常处理类
def __init__(self, *args, **kwargs):
Exception.__init__(self, *args, **kwargs)
if __name__ == '__main__':
try:
t1 = Transaction("chaors", "yajun", 999999999)
t2 = Transaction("chaors2", "yajun2", 999999999)
t3 = Transaction("chaors4", "yajun4", 999999999)
m1 = ChaorsMessage(t1)
m2 = ChaorsMessage(t2)
m3 = ChaorsMessage(t3)
block = Block(m1, m2, m3)
block.seal()
print(block)
# m1.data = "kkkk"
block.messagelist[1] = m3
block.validate()
except InvalidMessage as e:
print(e)
except InvalidBlock as e:
print(e)
Blockchain类
Blockchain类用来管理链条，它能存储交易，加入新块等。它就是一个完整的区块链
import datetime
import hashlib
from Block import Block
from Block import InvalidBlock
from Message import ChaorsMessage
from Message import InvalidMessage
from Transaction import Transaction
class BlockChain:
def __init__(self):
self.blocklist = []
def add_block(self, block):
if len(self.blocklist) > 0:
block.prev_hash = self.blocklist[-1].hash
block.seal() #区块封装
block.validate() #区块链接
self.blocklist.append(block)
def validate(self): #区块验证
for i, block in enumerate(self.blocklist):
try:
block.validate()
except InvalidBlock as e:
print(e)
raise InvalidBlockChain("第{}区块校验错误".format(i))
def __repr__(self):
return "BlockChain:{}".format(len(self.blocklist))
class InvalidBlockChain(Exception): # 异常处理类
def __init__(self, *args, **kwargs):
Exception.__init__(self, *args, **kwargs)
if __name__ == '__main__':
try:
t1 = Transaction("chaors", "yajun", 999999999)
t2 = Transaction("chaors2", "yajun2", 999999999)
t3 = Transaction("chaors4", "yajun4", 999999999)
m1 = ChaorsMessage(t1)
m2 = ChaorsMessage(t2)
m3 = ChaorsMessage(t3)
block1 = Block(m1, m2, m3)
block1.seal()
t21 = Transaction("chaors", "yajun", 999999999)
t22 = Transaction("chaors2", "yajun2", 999999999)
m21 = ChaorsMessage(t21)
m22 = ChaorsMessage(t22)
block2 = Block(m21, m22)
block2.seal()
t31 = Transaction("chaors", "yajun", 999999999)
t32 = Transaction("chaors2", "yajun2", 999999999)
t33 = Transaction("chaors4", "yajun4", 999999999)
t34 = Transaction("chaors8", "yajun8", 999999999)
m31 = ChaorsMessage(t31)
m32 = ChaorsMessage(t32)
m33 = ChaorsMessage(t33)
m34 = ChaorsMessage(t34)
block3 = Block(m31, m32, m33, m34)
block3.seal()
mychain = BlockChain()
mychain.add_block(block1)
mychain.add_block(block2)
mychain.add_block(block3)
print(mychain)
#篡改区块
block3.messagelist[1] = m33
# m31.data = "lkjioh"
mychain.validate()
except InvalidBlockChain as e:
print(e)
通过上面的代码，可以对区块链区块的产生和交易有一个更深刻的了解。交易和存储交易的区块因为哈希值都会具有不可篡改的特性。
当然真正的区块链远不止这么简单，这里只是大概搭建一个简单的区块链Demo，用于理解区块链的不可篡改原理和基本数据结构。本文代码也只实现了区块链的数据层，至于网络层，共识层等，以后有机会再写一写。
下一篇:用Python从零开始构建区块链之网络+共识(一)
互联网颠覆世界，区块链颠覆互联网!
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