しかし、少なくとも私の経験では、ブロックチェーンを理解することはそれほど簡単ではありません。 私は難解なビデオに目を通し、チュートリアルを歩いてみて、実例が不足していることに苛立ちを感じました。
仕事をしながら学びたいです。 この状況では、コードレベルですぐにトピックを練習する必要があります。これは、スキルを強化するのに役立ちます。 あなたが私の例に従うと、記事の終わりまでに、機能するブロックチェーンと、それがどのように機能するかを明確に理解できます。
しかし、まずは...
思い出させてください：ブロックチェーンは、ブロックと呼ばれる変更不可能な連続したレコードのチェーンです。 トランザクション、ファイル、および原則として、その他の種類のデータを囲むことができます。 ここでの主なことは、ハッシュを介して互いに接続されていることです。
ハッシュが何であるかよくわからない場合は、 ここにあります 。
このガイドの対象者 問題なくシンプルなPythonコードを読み書きできる人、およびHTTPリクエストがどのように機能するかを概説する人のために、ブロックチェーンとHTTP経由で通信します。
仕事には何が必要ですか？ Python 3.6+が （pipとともに） インストールされていることを確認してください。 また、Flaskと優れたリクエストライブラリをインストールする必要があります。
pip install Flask==0.12.2 requests==2.18.4
そうそう、HTTPクライアント（たとえば、 PostmanやcURL）も必要です。 誰でもここでやります。
結果はどこで確認できますか？ ソースコードはこちらから入手できます 。
ステップ1：ブロックチェーンを作成する
お気に入りのテキストまたは画像エディターを開きます。たとえば、私はPyCharmが好きです。 blockchain.pyという新しいファイルを作成します。 このファイルでのみ作業します。混乱した場合は、いつでもソースコードを確認できます 。
ブロックチェーンプレゼンテーション
最初に、新しいクラスを作成します。そのコンストラクターは、元の空のリスト（ブロックチェーンが格納される場所）とトランザクション用のもう1つを作成します。 クラス構造は次のようになります。
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
Blockchainクラスは、チェーンの管理を担当します。 これにより、トランザクションと、新しいブロックをチェーンに追加するためのヘルパーメソッドが保存されます。 これらのメソッドを書きましょう。
ブロックはどのように見えますか？
各ブロックには、インデックス、タイムスタンプ（Unixの場合）、トランザクションのリスト、証明、および前のブロックのハッシュが含まれます。
単一のブロックがどのように見えるかの例を次に示します。
block = { 'index': 1, 'timestamp': 1506057125.900785, 'transactions': [ { 'sender': "8527147fe1f5426f9dd545de4b27ee00", 'recipient': "a77f5cdfa2934df3954a5c7c7da5df1f", 'amount': 5, } ], 'proof': 324984774000, 'previous_hash': "2cf24dba5fb0a30e26e83b2ac5b9e29e1b161e5c1fa7425e73043362938b9824" }
これでチェーンのアイデアが明らかになります-各ブロックには前のブロックのハッシュが含まれます。 これは非常に重要です。これはチェーンが変更されないままである方法です。ハッカーがブロックに損傷を与えると、絶対に後続のブロックすべてに無効なハッシュが含まれます。
いいですか そうでない場合は、停止してこの情報を吸収する時間を与えてください。ブロックチェーンの基本原理はこの中にあります。
ブロックにトランザクションを追加する
何らかの形で新しいトランザクションをブロックに追加する必要があります。 new_transaction（）メソッドはこれを担当し、非常に簡単に動作します：
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
new_transaction（）がリストに新しいトランザクションを追加すると、マイニングが実行される次のトランザクションに書き込まれたブロックのインデックスを返します。 これは、後でトランザクションを追加する次のユーザーに役立ちます。
コンストラクターでジェネシスブロックを作成することに加えて、new_block（） 、 new_transaction（）、およびhash（）メソッドも記述します。
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()
上記のコードはおそらく説明を必要としません。ここでは、わかりやすくするためにコメントとドックストリングを追加しました。 ブロックチェーンの導入で、ほぼ完了です。 しかし、今では、ブロックの作成、埋め込み、マイニングのプロセスがどのように発生するのか疑問に思われるに違いありません。
私たちは仕事の証明を扱っています
作業証明アルゴリズムは、ブロックチェーンに新しいブロックを作成するために使用されます（このプロセスはマイニングとも呼ばれます）。 作業証明の目的は、方程式を解くために必要な値を計算することです。 この値は（数学的な観点から）計算が難しいはずですが、システムの参加者を簡単に確認できます。 これが仕事の証明の主なアイデアです。
より明確にするために、非常に単純な例を見てみましょう。
特定の数Xのハッシュに別のYを掛けた値が0で終わると仮定します。したがって、ハッシュ（x * y）= ac23dc ... 0です。 この単純化された例では、x = 5に設定します。これをすべてPythonで記述します。
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}')
正解は次のとおりです。y= 21; 最後に0を使用してハッシュが取得されるのは、この値です：
hash(5 * 21) = 1253e9373e...5e3600155e860
ビットコインでは、Proof of WorkアルゴリズムはHashCashと呼ばれ、上記の簡単な例と特に違いはありません。 これは、レースマイナーが新しいブロックを作成するために解決しようとしている方程式です。 一般に、複雑さは、特定のシーケンスで計算する必要がある文字数によって決まります。 正しい答えを得るために、採掘者は取引中に1コインの形で報酬を受け取ります。
システムのソリューションを確認することは難しくありません。
簡単な仕事の証明を書く
次に、ブロックチェーン用に同様のアルゴリズムを記述しましょう。 上記の例の精神で条件を採用します。
前のブロックの証明でハッシュされ、最初に4つのゼロを持つハッシュを与える数値pを見つけます。
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"
最初にゼロの数を変更することにより、このタスクの複雑さを変えることができます。 しかし、4つで十分です。 ゼロを1つ追加するだけで、解決策を見つけるプロセスが大幅に遅くなることがわかります。
クラスでの作業はほぼ完了し、HTTPリクエストを使用してクラスとの対話を開始する準備が整いました。
ステップ2：APIとしてのブロックチェーン
ここでは、Python Flaskを使用します。これは、エンドポイントをPython関数と相関させるプロセスを促進するマイクロフレームワークです。これにより、HTTPリクエストを使用してWeb経由でブロックチェーンとの対話を実行できます。
3つのメソッドを作成します。
- /トランザクション/新しいブロック内に新しいトランザクションを作成する
- / mineサーバー上の新しいブロックをマイニングする
- /チェーン 。完全なブロックチェーンチェーンを返します。
フラスコのカスタマイズ
「サーバー」は、ブロックチェーンシステムに単一のネットワークノードを生成します。 いくつかの定型コードを書きましょう：
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)
追加した内容の簡単な説明：
15行目：ノードに指示します。 Flaskの詳細については、 こちらをご覧ください 。
18行目：ノードの任意の名前を作成します。
行21： Blockchainクラスをインスタンス化します。
24〜26行目： / mineエンドポイント、つまりGETリクエストを作成します。
28〜30行目：エンドポイント/ transactions / new 、つまりPOSTリクエストを作成します。これがデータを送信する場所だからです。
行32〜38：ブロックチェーン全体を返すエンドポイント/チェーンを作成します。
行40〜41：ポート5000でサーバーを起動します。
トランザクションエンドポイント
これは、トランザクションリクエストの外観です。 これは、ユーザーがサーバーに送信するものです。
{ "sender": "my address", "recipient": "someone else's address", "amount": 5 }
トランザクションをブロックに追加するためのクラスメソッドが既にあるので、次はすべて簡単です。 トランザクションを追加する関数を書きましょう：
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
マイニングの最後のポイント
このエンドポイントですべての魔法が発生しますが、特に複雑なことはありません。 彼女は3つのことをしなければなりません：
- 仕事の証明を計算する
- トランザクションを追加することで、マイナー（つまり、私たち）に報酬を与えます。
- チェーンに新しいブロックを埋め込む
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 block = blockchain.new_block(proof) response = { 'message': "New Block Forged", 'index': block['index'], 'transactions': block['transactions'], 'proof': block['proof'], 'previous_hash': block['previous_hash'], } return jsonify(response), 200
ノードアドレスは、作成されたブロックの受信者として指定されていることに注意してください。 ここで行うことのほとんどは、 Blockchainクラスのメソッドとやり取りすることになります。 このステップが完了すると、主要な作業が完了し、ダイアログを開始できます。
ステップ3：ブロックチェーン対話
システム内のAPIと対話するには、古き良きcURLまたはPostmanを使用できます。
サーバーを起動します。
$ python blockchain.py * Running on http://127.0.0.1:5000/ (Press CTRL+C to quit)
GETリクエストをlocalhost：5000 / mineに送信してブロックを作成してみましょう：
次に、構造を含むPOSTリクエストをlocalhostに送信して、新しいトランザクションを作成します：5000 / Transactions / new：
Postmanを使用していない場合、cURLで同様のクエリを作成する方法は次のとおりです。
$ curl -X POST -H "Content-Type: application/json" -d '{ "sender": "d4ee26eee15148ee92c6cd394edd974e", "recipient": "someone-other-address", "amount": 5 }' "http://localhost:5000/transactions/new"
サーバーを再起動し、さらに3つのブロックを作成するためにさらに2つのブロックを作成しました。 localhost：5000 / chainリクエストを使用して、結果のチェーンを調べてみましょう。
{ "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 }
ステップ4：コンセンサス
これはすべて非常にクールです。 トランザクションを実行して新しいブロックを作成できるシンプルなブロックチェーンがあります。 しかし、ブロックチェーンは、分散化されている場合にのみ意味を持ちます。 そして、それを分散化すると、同じチェーンがどこにでも表示されることをどのように保証できますか？ これはコンセンサス問題と呼ばれます。 システムに複数のノードが必要な場合は、コンセンサスアルゴリズムを導入する必要があります。
新しいノードを認識する
コンセンサスアルゴリズムを実装する前に、システム内のすべてのノードがネイバーの存在を認識できるようにする必要があります。 システム内の各ノードには、他のすべてのノードのレジストリが必要です。 したがって、追加のエンドポイントが必要です。
- / nodes / register。URL形式の新しいノードのリストを受け入れます。
- / nodes / resolveは 、発生する競合を解決し、ノード内の正しいチェーンを追跡するコンセンサスアルゴリズムを実装します。
ブロックチェーンコンストラクターを調整し、ノードを登録するためのメソッドを提供する必要があります。
... 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)
注：ノードのリストを保存するためにset（）を使用しました。 これは、新しいノードを追加するときにin等性が観察されることを保証する簡単な方法です。つまり、特定のノードを何度追加しても、一度だけカウントされます。
コンセンサスアルゴリズムを実装します
すでに述べたように、あるノードのチェーンが別のノードのチェーンと異なる場合、競合が発生します。 これを排除するために、次のルールを導入します。特権のチェーンは常に長くなります。 つまり、システム内の最も長いチェーンが実際のものと見なされます。 このようなアルゴリズムを使用して、システムのすべてのノード間でコンセンサスを達成します。
... 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
最初のvalid_chain（）メソッドは、チェーンの有効性をチェックし、各ブロックを通過して、ハッシュと証明の両方を検証します。
resolve_conflicts（）は、すべての隣接ノードで機能するメソッドです。チェーンをダウンロードし、上記の方法でチェックします。 同時に有効なチェーンが当社のものよりも長い場合、交換が行われます。
APIに2つのエンドポイントを導入しましょう。1つは隣接ノードを追加し、もう1つは競合を解決します。
@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
この段階で、必要に応じて、他のマシンを引き付け、システムに異なるノードを作成できます。 または、同じマシンの異なるポートを使用して同じことを実現します。 同じマシンの別のポートに新しいノードを作成し、ソースノードがそれを認識できるようにしました。 したがって、2つのノードlocalhost：5000とlocalhost：5001が得られました。
ノード番号2では、ブロックを追加して、チェーンを一意に長くしました。 次に、最初のノードでGET / nodes / resolveと呼ばれ、コンセンサスアルゴリズムがそのチェーンを2番目のノードのチェーンに置き換えました。
まあ、それだけです。 友達を作り、ブロックチェーンを一緒にテストしましょう。
この資料があなたに新しいアイデアを刺激することを願っています。 個人的に、私は暗号通貨の開発に非常に熱心です：ブロックチェーンは、経済、政府、および情報の保存に関する私たちのアイデアに革命をもたらすと確信しています。
将来的には、記事の第2部をリリースする予定です。ここでは、トランザクション検証メカニズムをブロックチェーンに追加し、これをすべて製品で使用する方法について説明します。