Изучаем блокчейн на практике

Вы читаете эту статью потому, что, как и я, с горячим интересом наблюдаете за возрастающей популярностью криптовалюты. И вам хочется понять, как работает блокчейн — технология, которая лежит в ее основе.

Но разобраться в блокчейне не так-то просто, по крайней мере, по моему опыту. Я корпел над заумными видео, продирался через туториалы и с нарастающей досадой отмечал недостаток иллюстрирующих примеров.

Я предпочитаю учиться в процессе работы. При таком раскладе мне приходится отрабатывать тему сразу на уровне кода, что помогает закрепить навык. Если вы последуете моему примеру, то к концу статьи у вас будет функционирующий блокчейн и ясное понимание, как это все работает.

Но для начала…

Напомню: блокчейн — это неизменяемая, последовательная цепочка записей, которые называются блоками. Они могут заключать в себе транзакции, файлы и, в принципе, любые другие виды данных. Главное здесь — что они связаны друг с другом посредством хэшей.

Если вы не совсем понимаете, что такое хэш, вам сюда.

На кого рассчитано это руководство? На тех, кто без проблем может читать и писать несложный код на Python и в общих чертах представляет, как работают HTTP запросы — мы будет общаться с нашим блокчейном через HTTP.

Что будет нужно для работы? Проверьте, чтобы у вас был установлен Python 3.6+ (вместе с pip). Также вам нужно будет установить Flask и прекрасную библиотеку Requests:

 pip install Flask==0.12.2 requests==2.18.4 

Ах да, еще вам понадобится HTTP клиент, например, Postman или cURL. Тут подойдет любой.

Где можно посмотреть то, что получится в итоге? Исходный код доступен здесь.

Шаг первый: Делаем блокчейн

Откройте свой любимый текстовый или графический редактор, мне вот, например, нравится PyCharm. Создайте новый файл под названием blockchain.py. Мы будем работать только в этом файле, а если запутаетесь, всегда можно подсмотреть в исходный код.

Представление блокчейна

Сначала мы создаем новый класс, конструктор которого создаст исходный пустой список (где и будет храниться наш блокчейн) и еще один — для транзакций. Вот как выглядит структура класса:

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

Класс Blockchain отвечает за управление цепочкой. Здесь будут храниться транзакции, а также некоторые вспомогательные методы для добавления в цепочку новых блоков. Давайте распишем эти методы.

Как выглядит блок?

В каждом блоке содержится индекс, метка времени (в Unix), список транзакций, доказательство и хэш предыдущего блока.

Вот пример того, как может выглядет отдельный блок:

block = {
    'index': 1,
    'timestamp': 1506057125.900785,
    'transactions': [
        {
            'sender': "8527147fe1f5426f9dd545de4b27ee00",
            'recipient': "a77f5cdfa2934df3954a5c7c7da5df1f",
            'amount': 5,
        }
    ],
    'proof': 324984774000,
    'previous_hash': "2cf24dba5fb0a30e26e83b2ac5b9e29e1b161e5c1fa7425e73043362938b9824"
}

Теперь идея цепочки должна быть очевидна — каждый блок включает в себя хэш предшествующего. Это очень важно: именно так обеспечивается неизменность цепочки: если хакер повредит какой-либо блок, то абсолютно все последующие будут содержать неверные хэши.

Понятно? Если нет, остановитесь и дайте себе время усвоить эту информацию — именно в ней состоит базовый принцип блокчейна.

Добавляем транзакции в блок

Нам нужно каким-то образом добавлять в блок новые транзакции. За это отвечает методnew_transaction(), работает он достаточно просто:

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

Когда new_transaction() добавляет новую транзакцию в список, он возвращает индекс блока, куда она была записана, следующему, с которым будет осуществляться майнинг. Позже это пригодится следующему пользователю, добавляющему транзакцию.

Помимо создания блока genesis в конструкторе, мы также распишем методы new_block(),new_transaction() и hash():

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()

Вышеприведенный код, вероятно, в пояснениях не нуждается — я добавил кое-где комментарии и докстринги, чтобы было понятнее. С представлением блокчейна мы практически закончили. Но сейчас вы, должно быть, задаетесь вопросом, как происходит процесс создания, встраивания и майнинга блоков.

Разбираемся с доказательством работы

Алгоритм доказательства работы служит для создания новых блоков в блокчейне (это процесс еще называется майнингом). Цель доказательства работы — вычислить нужное значение, чтобы решить уравнение. Это значение должно быть сложно рассчитать (с математической точки зрения), но легко проверить любому участнику системы. В этом заключается основная идея доказательства работы.

Чтобы стало яснее, давайте рассмотрим очень простой пример.

Допустим, хэш некоторого числа X, помноженного на другое Y, должен оканчиваться на 0. Соответственно, hash(x * y) = ac23dc...0. Для этого упрощенного примера установим x = 5. Прописываем все это на Python:

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}')

Правильный ответ здесь: y = 21; именно при таком значении получается хэш с 0 в конце:

hash(5 * 21) = 1253e9373e...5e3600155e860

В биткойне алгоритм доказательства работы называется HashCash и не особенно отличается от простенького примера, приведенного выше. Это уравнение, которые майнеры наперегонки пытаются разрешить, чтобы создать новый блок. В целом, сложность определяется тем, сколько символов нужно вычислить в заданной последовательности. За верный ответ майнеры получают вознаграждение в виде одной монеты — в ходе транзакции.

Проверить их решение для системы не составляет труда.

Пишем простое доказательство работы

Теперь давайте пропишем подобный же алгоритм для нашего блокчейна. Условия возьмем в духе вышеприведенного примера:

Найдите число p, которое, будучи хэшировано с доказательством предыдущего блока, дает хэш с четырьмя нулями в начале.

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"

Мы можем варьировать сложность этой задачи, меняя количество нулей в начале. Но четырех вполне достаточно. Вы можете сами убедиться, что один-единственный дополнительный нолик значительно замедляет процесс поиска решения.

Работа над классом почти завершена и теперь мы готовы начать взаимодействие с ним при помощи HTTP запросов.

Шаг второй: Блокчейн как API

Здесь мы будем использовать Python Flask — микрофреймворк, который облегчает процесс соотнесения конечных пунктов с функциями Python, что позволяет нам осуществлять диалог с блокчейном по Сети при помощи HTTP запросов.

Создаем три метода:

• /transactions/new для создания новой транзакции в блоке
• /mine для майнинга нового блока на сервере
• /chain для возвращения полной цепочки блокчейна.

Настраиваем Flask

Наш «сервер» сгенерирует один-единственный узел сети в блокчейн-системе. Давайте напишем немного шаблонного кода:

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)

Краткие пояснения к тому, что мы добавили:

Строка 15: Инстанцирует узел. Подробнее о Flask можно почитать здесь.
Строка 18: Создает произвольное имя для узла.
Строка 21: Инстанцирует класс Blockchain.
Строки 24-26: Создает конечную точку /mine, то есть запрос GET.
Строки 28-30: Создает конечную точку /transactions/new, то есть запрос POST, так как именно туда мы и будем отсылать данные.
Строки 32-38: Создает конечную точку /chain, который возвращает блокчейн целиком.
Строки 40-41: Запускает сервер на порту 5000.

Конечный пункт для транзакций

Вот как будет выглядеть запрос на транзакцию. Именно это пользователь отсылает на сервер:

{
 "sender": "my address",
 "recipient": "someone else's address",
 "amount": 5
}

Метод класса для добавления транзакции в блок у нас уже есть, поэтому дальше все легко. Давайте напишем функцию для добавления транзакции:

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

Конечный пункт для майнинга

Именно в этой конечной точке творится вся магия, но ничего особо сложного в нем нет. Она должна делать три вещи:

1. Рассчитывать доказательство работы
2. Выдавать майнеру (то есть нам) вознаграждение, добавляя транзакцию, с ходе которой мы получаем одну монету
3. Встраивать новый блок в цепочку

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

Обратите внимание, что в качестве получателя созданного блока указан адрес узла. Большая часть того, что мы тут делаем, сводится к взаимодействию с методами нашего класса Blockchain. По завершению этого шага основная работа закончена, можно начинать диалог.

Шаг третий: Диалог с блокчйном

Для взаимодействия с API в рамках системы можно использовать старый-добрый cURL или Postman.

Запускаем сервер:

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

Давайте попробуем создать блок, отправив запрос GET по адресу localhost:5000/mine:

Теперь создаем новую транзакцию, отправив запрос POST, содержащий ее структуру, по адресуlocalhost:5000/transactions/new:

Если вы работаете не с Postman, вот как сформулировать аналогичный запрос в cURL:

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

Я перезапустил сервер и создал еще два блока, чтобы в итоге получилось три. Давайте изучим получившуюся цепочку через запрос localhost:5000/chain:

{
  "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
}

Шаг четвертый: Консенсус

Все это очень здорово. У нас есть простой блокчейн, который позволяет осуществлять транзакции и создавать новые блоки. Но блокчейн имеет смысл только в том случае, если он децентрализован. А если сделать его децентрализованным, как мы вообще можем гарантировать, что везде будет отображаться одна и та же цепочка? Это называется проблемой консенсуса. Если мы хотим, чтобы в системе было больше одного узла, придется ввести алгоритм консенсуса.

Распознаем новые узлы

Прежде чем внедрять алгоритм консенсуса, нам нужно что-то предпринять, чтобы каждый узел в системе знал о существовании соседних. У каждого узла в системе должен быть реестр всех остальных узлов. А значит понадобятся дополнительные конечные точки:

1. /nodes/register, который будет принимать список новых узлов в URL формате
2. /nodes/resolve для внедрения алгоритма консенсуса, который будет разрешать возникающие конфликты и отслеживать, чтобы в узле содержалась правильная цепочка.

Нам нужно подкорректировать конструктор блокчейна и обеспечить метод для регистрации узлов:

...
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)

Заметьте: мы использовали set() для хранения списка узлов. Это нехитрый способ гарантировать, что при добавлении новых узлов будет соблюдаться индемпотентность — то есть сколько бы раз мы ни добавляли какой-то конкретный узел, он будет засчитан только единожды.

Внедряем алгоритм консенсуса

Как я уже упоминал, конфликт происходит тогда, когда цепочка одного узла отличается от цепочки другого. Чтобы его устранить, мы введем такое правило: прерогатива всегда у той цепочки, которая длиннее. Иными словами, самая длинная цепочка в системе рассматривается как фактическая. Используя такой алгоритм, мы достигаем консенсуса среди всех узлов системы: 

...
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

Первый метод valid_chain() отвечает за проверку цепочек на валидность, проходя каждый блок и верифицируя и хэш, и доказательство.

resolve_conflicts() — метод, который прорабатывает все соседние узлы: скачивает их цепочки и проверяет их описанным выше способом. Если при этом найдена валидная цепочка длиннее, чем наша, производится замена.

Давайте введем в наш API две конечные точки, один для добавления соседних узлов, другой для разрешения конфликтов:

@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

На данном этапе, если хотите, можете привлечь другие машины и насоздавать разных узлов для вашей системы. Или добиться того же используя разные порты на одной машине. Я создал новый узел на другом порте той же машины, и позволил исходному узлу его распознать. Таким образом, получилось два узла: localhost:5000 и localhost:5001.

В узел номер два я добавил побольше блоков, чтобы цепочка получилась однозначно длиннее. После чего вызвал GET /nodes/resolve в первом узле — и алгоритм консенсуса заменил его цепочку на цепочку второго.

Ну, вот и все. Теперь собирайте друзей и тестируйте вам блокчейн совместными усилиями.

Надеюсь, этот материал вдохновит вас на новые идеи. Лично я с большим энтузиазмом наблюдаю за развитием криптовалюты: я уверен, что блокчейн перевернет наши представления об экономике, управлении государством и хранении информации.

В будущем я планирую выпустить вторую часть статьи, где мы добавим в блокчейн механизм валидации транзакций и поговорим о том, как все это можно использовать в продуктах.

Источник: https://habrahabr.ru/company/everydaytools/blog/339280/