Строим собственный блокчейн на Python и разбираемся в его особенностях

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!