【Python】实现一个简单的区块链系统

区块链 python 共识算法 2023-09-22 12:09:14 452人浏览八月长安

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摘要

本文章利用 Python 实现一个简单的功能较为完善的区块链系统（包括区块链结构、账户、钱包、转账），采用的共识机制是 POW。一、区块与区块链结构 Block.py import hashlibfrom datetime import

本文章利用 Python 实现一个简单的功能较为完善的区块链系统（包括区块链结构、账户、钱包、转账），采用的共识机制是 POW。

一、区块与区块链结构

Block.py

import hashlibfrom datetime import datetimeclass Block:    """        区块链结构：            prev_hash：      父区块哈希值            data：           区块内容            timestamp：      区块创建时间            hash：           区块哈希值    """    def __init__(self, data, prev_hash):        # 将传入的父区块哈希值和数据保存到变量中        self.prev_hash = prev_hash        self.data = data        # 获得当前的时间        self.timestamp = datetime.now().strftime("%Y-%m-%d %H:%M:%S")        # 计算区块哈希值        # 获取哈希对象        message = hashlib.sha256()        # 先将数据内容转为字符串并进行编码，再将它们哈希        # 注意：update() 方法现在只接受 bytes 类型的数据，不接收 str 类型        message.update(str(self.prev_hash).encode('utf-8'))        message.update(str(self.prev_hash).encode('utf-8'))        message.update(str(self.prev_hash).encode('utf-8'))        # update() 更新 hash 对象，连续的调用该方法相当于连续的追加更新        # 返回字符串类型的消息摘要        self.hash = message.hexdigest()

BlockChain.py

from Block import Blockclass BlockChain:    """        区块链结构体            blocks：         包含区块的列表    """    def __init__(self):        self.blocks = []    def add_block(self, block):        """        添加区块        :param block:        :return:        """        self.blocks.append(block)# 新建区块genesis_block = Block(data="创世区块", prev_hash="")new_block1 = Block(data="张三转给李四一个比特币", prev_hash=genesis_block.hash)new_block2 = Block(data="张三转给王五三个比特币", prev_hash=genesis_block.hash)# 新建一个区块链对象blockChain = BlockChain()# 将刚才新建的区块加入区块链blockChain.add_block(genesis_block)blockChain.add_block(new_block1)blockChain.add_block(new_block2)# 打印区块链信息print("区块链包含区块个数为：%d\n" % len(blockChain.blocks))blockHeight = 0for block in blockChain.blocks:    print(f"本区块高度为：{blockHeight}")    print(f"父区块哈希：{block.prev_hash}")    print(f"区块内容：{block.data}")    print(f"区块哈希：{block.hash}")    print()    blockHeight += 1

测试结果

二、加入工作量证明（POW）

将工作量证明加入到 Block.py 中

import hashlibfrom datetime import datetimefrom time import timeclass Block:    """        区块链结构：            prev_hash：      父区块哈希值            data：           区块内容            timestamp：      区块创建时间            hash：           区块哈希值            nonce：          随机数    """    def __init__(self, data, prev_hash):        # 将传入的父区块哈希值和数据保存到变量中        self.prev_hash = prev_hash        self.data = data        # 获得当前的时间        self.timestamp = datetime.now().strftime("%Y-%m-%d %H:%M:%S")        # 设置随机数、哈希初始值为 None        self.nonce = None        self.hash = None    # 类的 __repr__() 方法定义了实例化对象的输出信息    def __repr__(self):        return f"区块内容：{self.data}\n区块哈希值：{self.hash}"class ProofOfWork:    """        工作量证明：            block：          区块            difficulty：     难度值    """    def __init__(self, block, difficult=5):        self.block = block        # 定义出块难度，默认为 5，表示有效哈希值以 5 个零开头        self.difficulty = difficult    def mine(self):        """        挖矿函数        :return:        """        i = 0        prefix = '0' * self.difficulty        while True:            message = hashlib.sha256()            message.update(str(self.block.prev_hash).encode('utf-8'))            message.update(str(self.block.data).encode('utf-8'))            message.update(str(self.block.timestamp).encode('utf-8'))            message.update(str(i).encode('utf-8'))            # digest() 返回摘要，作为二进制数据字符串值            # hexdigest() 返回摘要，作为十六进制数据字符串值            digest = message.hexdigest()            # str.startswith(prefix) 检测字符串是否是以 prefix（字符串）开头，返回布尔值            if digest.startswith(prefix):                # 幸运数字                self.block.nonce = i                # 区块哈希值为十六进制数据字符串摘要                self.block.hash = digest                return self.block            i += 1    def validate(self):        """        验证有效性        :return:        """        message = hashlib.sha256()        message.update(str(self.block.prev_hash).encode('utf-8'))        message.update(str(self.block.data).encode('utf-8'))        message.update(str(self.block.timestamp).encode('utf-8'))        message.update(str(self.block.nonce).encode('utf-8'))        digest = message.hexdigest()        prefix = '0' * self.difficulty        return digest.startswith(prefix)# ++++++++测试++++++++# 定义一个区块b = Block(data="测试", prev_hash="")# 定义一个工作量证明w = ProofOfWork(b)# 开始时间start_time = time()# 挖矿，并统计函数执行时间print("+++开始挖矿+++")valid_block = w.mine()# 结束时间end_time = time()print(f"挖矿花费时间：{end_time - start_time}秒")# 验证区块print(f"区块哈希值是否符合规则：{w.validate()}")print(f"区块哈希值为：{b.hash}")

测试结果

更新 BlockChain.py

from Block import Block, ProofOfWorkclass BlockChain:    """        区块链结构体            blocks：         包含区块的列表    """    def __init__(self):        self.blocks = []    def add_block(self, block):        """        添加区块        :param block:        :return:        """        self.blocks.append(block)# 新建一个区块链对象blockChain = BlockChain()# 新建区块block1 = Block(data="创世区块", prev_hash="")w1 = ProofOfWork(block1)genesis_block = w1.mine()blockChain.add_block(genesis_block)block2 = Block(data="张三转给李四一个比特币", prev_hash=genesis_block.hash)w2 = ProofOfWork(block2)block = w2.mine()blockChain.add_block(block)block3 = Block(data="张三转给王五三个比特币", prev_hash=block.hash)w3 = ProofOfWork(block3)block = w3.mine()blockChain.add_block(block)# 打印区块链信息print("区块链包含区块个数为：%d\n" % len(blockChain.blocks))blockHeight = 0for block in blockChain.blocks:    print(f"本区块高度为：{blockHeight}")    print(f"父区块哈希：{block.prev_hash}")    print(f"区块内容：{block.data}")    print(f"区块哈希：{block.hash}")    print()    blockHeight += 1

测试结果

三、实现钱包、账户、交易功能

实现钱包、账户、交易功能要先安装非对称加密算法库 ecdsa。如果网速慢，引用下面这个网站

-i https://pypi.tuna.tsinghua.edu.cn/simple

添加钱包、账户功能 Wallet.py

import base64import binasciifrom hashlib import sha256# 导入椭圆曲线算法from ecdsa import SigningKey, SECP256k1, VerifyingKeyclass Wallet:    """        钱包    """    def __init__(self):        """            钱包初始化时基于椭圆曲线生成一个唯一的秘钥对，代表区块链上一个唯一的账户        """        # 生成私钥        self._private_key = SigningKey.generate(curve=SECP256k1)        # 基于私钥生成公钥        self._public_key = self._private_key.get_verifying_key()    @property    def address(self):        """            这里通过公钥生成地址        """        h = sha256(self._public_key.to_pem())        # 地址先由公钥进行哈希算法，再进行 Base64 计算而成        return base64.b64encode(h.digest())    @property    def pubkey(self):        """            返回公钥字符串        """        return self._public_key.to_pem()    def sign(self, message):        """            生成数字签名        """        h = sha256(message.encode('utf8'))        # 利用私钥生成签名        # 签名生成的是一串二进制字符串，为了便于查看，这里转换为 ASCII 字符串进行输出        return binascii.hexlify(self._private_key.sign(h.digest()))def verify_sign(pubkey, message, signature):    """        验证签名    """    verifier = VerifyingKey.from_pem(pubkey)    h = sha256(message.encode('utf8'))    return verifier.verify(binascii.unhexlify(signature), h.digest())

实现转账功能 Transaction.py

import JSONclass Transaction:    """        交易的结构    """    def __init__(self, sender, recipient, amount):        """            初始化交易，设置交易的发送方、接收方和交易数量        """        # 交易发送者的公钥        self.pubkey = None        # 交易的数字签名        self.signature = None        if isinstance(sender, bytes):            sender = sender.decode('utf-8')        self.sender = sender        # 发送方        if isinstance(recipient, bytes):            recipient = recipient.decode('utf-8')        self.recipient = recipient  # 接收方        self.amount = amount        # 交易数量    def set_sign(self, signature, pubkey):        """            为了便于验证这个交易的可靠性，需要发送方输入他的公钥和签名        """        self.signature = signature  # 签名        self.pubkey = pubkey  # 发送方公钥    def __repr__(self):        """            交易大致可分为两种，一是挖矿所得，而是转账交易            挖矿所得无发送方，以此进行区分显示不同内容        """        if self.sender:            s = f"从{self.sender}转自{self.recipient}{self.amount}个加密货币"        elif self.recipient:            s = f"{self.recipient}挖矿所得{self.amount}个加密货币"        else:            s = "error"        return sclass TransactionEncoder(json.JSONEncoder):    """        定义Json的编码类，用来序列化Transaction    """    def default(self, obj):        if isinstance(obj, Transaction):            return obj.__dict__        else:            return json.JSONEncoder.default(self, obj)            # return super(TransactionEncoder, self).default(obj)

更新 Block.py

import hashlibimport jsonfrom datetime import datetimefrom Transaction import Transaction, TransactionEncoderclass Block:    """        区块结构            prev_hash:      父区块哈希值            transactions:   交易对            timestamp:      区块创建时间            hash:           区块哈希值            Nonce:          随机数    """    def __init__(self, transactions, prev_hash):        # 将传入的父哈希值和数据保存到类变量中        self.prev_hash = prev_hash        # 交易列表        self.transactions = transactions        # 获取当前时间        self.timestamp = datetime.now().strftime("%Y-%m-%d %H:%M:%S")        # 设置Nonce和哈希的初始值为None        self.nonce = None        self.hash = None    # 类的 __repr__() 方法定义了实例化对象的输出信息    def __repr__(self):        return f"区块内容：{self.transactions}\n区块哈希值：{self.hash}"class ProofOfWork:    """        工作量证明            block：          区块            difficulty：     难度值    """    def __init__(self, block, miner, difficult=5):        self.block = block        self.miner = miner        # 定义工作量难度，默认为5，表示有效的哈希值以5个“0”开头        self.difficulty = difficult        # 添加挖矿奖励        self.reward_amount = 1    def mine(self):        """            挖矿函数        """        i = 0        prefix = '0' * self.difficulty        # 设置挖矿自动生成交易信息，添加挖矿奖励        t = Transaction(            sender="",            recipient=self.miner.address,            amount=self.reward_amount,        )        sig = self.miner.sign(json.dumps(t, cls=TransactionEncoder))        t.set_sign(sig, self.miner.pubkey)        self.block.transactions.append(t)        while True:            message = hashlib.sha256()            message.update(str(self.block.prev_hash).encode('utf-8'))            # 更新区块中的交易数据            # message.update(str(self.block.data).encode('utf-8'))            message.update(str(self.block.transactions).encode('utf-8'))            message.update(str(self.block.timestamp).encode('utf-8'))            message.update(str(i).encode("utf-8"))            digest = message.hexdigest()            if digest.startswith(prefix):                self.block.nonce = i                self.block.hash = digest                return self.block            i += 1    def validate(self):        """            验证有效性        """        message = hashlib.sha256()        message.update(str(self.block.prev_hash).encode('utf-8'))        # 更新区块中的交易数据        # message.update(str(self.block.data).encode('utf-8'))        message.update(json.dumps(self.block.transactions).encode('utf-8'))        message.update(str(self.block.timestamp).encode('utf-8'))        message.update(str(self.block.nonce).encode('utf-8'))        digest = message.hexdigest()        prefix = '0' * self.difficulty        return digest.startswith(prefix)

更新 BlockChain.py

from Block import Block, ProofOfWorkfrom Transaction import Transactionfrom Wallet import Wallet, verify_signclass BlockChain:    """        区块链结构体            blocks:        包含的区块列表    """    def __init__(self):        self.blocks = []    def add_block(self, block):        """            添加区块        """        self.blocks.append(block)    def print_list(self):        print(f"区块链包含个数为：{len(self.blocks)}")        for block in self.blocks:            height = 0            print(f"区块链高度为：{height}")            print(f"父区块为：{block.prev_hash}")            print(f"区块内容为：{block.transactions}")            print(f"区块哈希值为：{block.hash}")            height += 1            print()

为了方便我们对区块链进行操作，我们可以在 BlockChain.py 中补充一些方法

# 传入用户和区块链，返回用户的“余额”def get_balance(user, blockchain):    balance = 0    for block in blockchain.blocks:        for t in block.transactions:            if t.sender == user.address.decode():                balance -= t.amount            elif t.recipient == user.address.decode():                balance += t.amount    return balance# user生成创世区块（新建区块链），并添加到区块链中def generate_genesis_block(user):    blockchain = BlockChain()    new_block = Block(transactions=[], prev_hash="")    w = ProofOfWork(new_block, user)    genesis_block = w.mine()    blockchain.add_block(genesis_block)    # 返回创世区块    return blockchain# 用户之间进行交易并记入交易列表def add_transaction(sender, recipient, amount):    # 新建交易    new_transaction = Transaction(        sender=sender.address,        recipient=recipient.address,        amount=amount    )    # 生成数字签名    sig = sender.sign(str(new_transaction))    # 传入付款方的公钥和签名    new_transaction.set_sign(sig, sender.pubkey)    return new_transaction# 验证交易，若验证成功则加入交易列表def verify_new_transaction(new_transaction, transactions):    if verify_sign(new_transaction.pubkey,                   str(new_transaction),                   new_transaction.signature                   ):        # 验证交易签名没问题，加入交易列表        print("交易验证成功")        transactions.append(new_transaction)    else:        print("交易验证失败")# 矿工将全部验证成功的交易列表打包出块def generate_block(miner, transactions, blockchain):    new_block = Block(transactions=transactions,                      prev_hash=blockchain.blocks[len(blockchain.blocks) - 1].hash)    print("生成新的区块...")    # 挖矿    w = ProofOfWork(new_block, miner)    block = w.mine()    print("将新区块添加到区块链中")    blockchain.add_block(block)

进行测试

# 新建交易列表transactions = []# 创建 3 个用户alice = Wallet()tom = Wallet()bob = Wallet()print("alice创建创世区块...")blockchain = generate_genesis_block(alice)print()print(f"alice 的余额为{get_balance(alice, blockchain)}个比特币")print(f"tom 的余额为{get_balance(tom, blockchain)}个比特币")print(f"bob 的余额为{get_balance(bob, blockchain)}个比特币")print()# 打印区块链信息blockchain.print_list()print("新增交易：alice 转账 0.5 比特币给 tom")nt = add_transaction(alice, tom, 0.5)print()verify_new_transaction(nt, transactions)print(f"矿工 bob 将全部验证成功的交易列表打包出块...")generate_block(bob, transactions, blockchain)print("添加完成\n")# 打印区块链信息blockchain.print_list()

测试结果