Блокчейн на Python
Когда я читал статью про блокчейн на JavaScript, мне было интересно познакомиться с идеями о блокчейн-разработке, которые отличаются от тех, что мне уже известны. А как только я начал читать код, мне захотелось сопоставить его с аналогичным Python-кодом, чтобы ещё и разобраться с его отличиями от кода, написанного на JavaScript.
Цель этого материала заключается в том, чтобы выявить отличия языков. Его можно считать Python-дополнением к исходной статье.
Несмотря на то, что исходная статья появилась на свет после того, как её автор ознакомился с примером блокчейн-разработки на Python, мне хотелось написать Python-код, который как можно более точно воспроизводит JavaScript-код из статьи. Это позволит сопоставить реализацию блокчейна на разных языках.
Я, кроме того, собираюсь сделать так, чтобы моя реализация блокчейна, как и в статье про JavaScript, тоже поместилась бы в 60 строк.
О блокчейне
Хотя я собирался повторить структуру того материала, чтобы тем же путём, что и его автор, прийти к готовому коду, я, всё же, включу сюда и кое-что своё. В частности, я предпочитаю другое определение блокчейна. Оно звучит так: «Блокчейн — это система регистрации информации, выполняемой таким способом, который усложняет или делает невозможным изменение информации, взлом системы или мошенничество с информацией».
Подготовка среды разработки
В этом проекте мы будем использовать Python, поэтому, если он у вас не установлен — найдите дистрибутив, подходящий для вашей ОС, и установите его.
Создание блока
Блок — это объект, в котором имеется некая информация. Поэтому начнём работу с создания класса Block :
Блокчейн
Классы, представляющие собой блокчейн, похожи в обоих языках.
Проверка блокчейна
Алгоритм доказательства выполнения работы
Создадим свойство, в котором будет храниться сложность:
Отредактируем метод addBlock :
Тестирование блокчейна
Импортируем модуль и воспользуемся классом Blockchain так же, как таким же классом в JS-проекте:
Результаты работы этого кода должны выглядеть примерно так:
Но заработает это всё только после добавления в класс Blockchain метода __repr__() :
Дополнение: сложность и время блока
Для настройки времени блока нам понадобится соответствующее свойство:
Посмотрим на тернарный оператор, используемый в системе настройки сложности. Если переписать JS-конструкцию с тернарным оператором на Python, то получится следующее: (if_test_is_false, if_test_is_true)[test] :
Итоговый Python-код (без нормального форматирования) укладывается в обещанные 60 строк:
Надеюсь, вам понравились оба материала, и вы нашли в них что-то полезное.
Если бы вам понадобилось создать блокчейн-систему — какими инструментами вы воспользовались бы?
Собственная криптовалюта: реализация блокчейна на Python
Bitcoin — всеобщий любимец из числа криптовалют. Новшество, которое он привнес, — решение проблемы двойного расходования при помощи блокчейна — цепочки блоков информации. Вместо того чтобы хранить значения в централизованном банке, блокчейн формирует децентрализованную систему.
Какую структуру имеет блокчейн? Каждый блок имеет хеш-сумму, также в нем содержатся данные о транзакции и метка времени. Кроме того, в блоке есть копия хеш-суммы предыдущего блока. Выглядит все это примерно так:
Хм, на что же это похоже? На какую структуру данных? Точно! Это же связный список!
Итак, давайте возьмем класс связного списка, который мы создали ранее (см. статью «Связный список на Python: что это такое и как его реализовать», — прим. ред. Pythonist), и превратим его в простой блокчейн. Мы внесем в него несколько простых изменений, и вы увидите, что объектно-ориентированное программирование на Python позволяет создавать крутые вещи.
Внедряем ООП
Для начала нам нужно внедрить в наш класс связного списка некоторые принципы ООП (объектно-ориентированного программирования). Да, поначалу это кажется сложным. Но если мы хотим, чтобы наш блокчейн был защищенным, нам нужно сделать кое-какие вещи приватными. Этот принцип называется инкапсуляцией. Суть его в том, что некоторые поля и методы делаются доступными только изнутри класса. Поскольку мы не хотим, чтобы кто-то мог нарушить структуру нашей криптовалюты, нам нужно ограничить возможность взаимодействия с ней.
Стоит отметить, что блокчейн обладает парой отличительных свойств. Во-первых, он отличается иммутабельностью, т. е. записи в нем трудно изменить (если вообще возможно). Во-вторых, он публичный. Да, именно так. Блокчейн Bitcoin-а это публичные записи, вы можете просмотреть их хоть сейчас.
Прокачиваем наш связный список
Теперь, когда мы встроили в наш класс защитный механизм, давайте добавим то, что сделает его собственно блокчейном. Для начала нам нужно сохранить кое-что в переменной data. Мы превратим ее в словарь, хранящий хеш блока, предыдущий хеш и метку времени. В блокчейне Bitcoin-а, как вы видели, в одном блоке могут храниться несколько транзакций (в форме дерева хешей). Мы не станем так углубляться и будем хранить только одну «транзакцию». Обязательно передайте в качестве параметров предыдущий хеш, транзактора и сумму.
Как сделать хеш блока? В блокчейне это делается так: вы берете хеш предыдущего блока и видоизменяете его, используя суперсекретный алгоритм хеширования. Вы можете сделать свой алгоритм сколь угодно сложным, но он может быть и очень простым:
Теперь у нас есть автоматически инкрементирующаяся SQL-база данных. Прекрасно. Давайте сделаем нечто более сложное. Возьмем сумму транзакции, возведем ее в странную степень, прибавим порядковый номер последней буквы имени транзактора, и прибавим все это к предыдущему хешу.
Делаем цепочку неизменяемой
Как вы помните, блокчейны отличаются неизменяемостью (иммутабельностью). То есть изменить их очень сложно. Это свойство завязано на том, что каждый хеш зависит от сохраняемых в блоке данных (по крайней мере в нашей функции). При изменении значения в блоке должны обновиться все хеши во всех последующих блоках. Если блоков всего несколько, это не займет много времени, но представьте, что у нас очень длинная цепочка, а ее обновление имеет временную сложность O(N).
Вот и все! Мы создали базовый функционал нашего блокчейна.
Проверяем
Давайте создадим первый блок. Передадим в него имя и сумму. Предыдущий хеш для первого блока в цепочке — всегда 0.
Теперь добавим еще несколько блоков.
Вы увидите следующий вывод:
Если вы использовали другой алгоритм хеширования, ваши хеши могут отличаться. Но суть в том, что каждый хеш создается на базе предыдущего.
Давайте попробуем обновить сумму. Установим новое значение суммы для второго человека, Джамиля. По идее мы должны увидеть, что обновятся хеши всех последующих блоков, а хеш блока Тима останется тем же.
Все прошло по плану! Вы создали собственную криптовалюту! Ну ладно, нечто похожее на нее. Если вам интересно, можете сделать форк оригинального кода Bitcoin и на его основе создать что-то свое. Код доступен на GitHub.
Андрей Карпати: Bitcoin на Python (часть 1)
Андрей Карпати — директор по искусственному интеллекту и Autopilot Vision в Tesla.
Я считаю, что блокчейн — классная штука, потому что он расширяет open source разработку софта до open source + state. Это кажется интересным нововведением в компьютерных парадигмах; Мы не просто делиться кодом, мы можем предоставить общий доступ к работающему компьютеру, и любой человек в любом месте может использовать его открыто и без разрешения. Семена этой революции, возможно, начались с биткойна, поэтому мне стало любопытно вникнуть в него более подробно, чтобы получить интуитивное понимание того, как он работает. И в духе «то, что я не могу создать, я не понимаю», что может быть лучше, чем реализовать биткойна с нуля?
Мы собираемся создать, поставить цифровую подпись и транслировать биткойн-транзакцию на чистом Python, с нуля и с нулевыми зависимостями. В процессе мы немного узнаем о том, как биткойн представляет ценность. Давай попробуем.
(кстати, если визуальный формат этого поста вас раздражает, посмотрите версию jupyter notebook, у которой идентичный контент).
Шаг 1: создание крипто сущности
Для начала мы хотим создать совершенно новую криптографическую сущность, которая представляет собой всего лишь пару ключей: публичный и приватный. Биткойн использует криптографию на эллиптических кривых (Elliptic-Сurve Сryptography, ECC) вместо чего-то более распространенного, например RSA, для защиты транзакций. Я не собираюсь здесь углубляться в ECC, потому что другие проделали значительно лучшую работу, например, я считаю серию постов в блоге Андреа Корбеллини очень полезным ресурсом. Здесь мы просто напишем код, но чтобы понять, почему он работает математически, вам нужно прочитать эти посты.
Итак, биткойн использует кривую secp256k1. Как новичок в этой области, я нашел эту часть увлекательной — есть целые библиотеки разных кривых, из которых вы можете выбирать, у каждой свои плюсы, минусы и прочие свойства. NIST публикует рекомендации о том, какие из них использовать, но люди предпочитают использовать другие кривые (например, secp256k1), которые с меньшей вероятностью будут иметь встроенные бэкдоры. Как бы то ни было, эллиптическая кривая — это математический объект довольно низкой размерности, для определения которого требуется всего 3 целых числа:
В дополнение к кривой мы определяем точку Generator, которая является просто некоторой фиксированной «начальной точкой» в цикле кривой, которая используется для запуска «случайного блуждания» по кривой. Генератор — это общеизвестная и согласованная константа:
Наконец, известен порядок порождающей точки G, который фактически является «размером множества», с которым мы работаем, в терминах целочисленных кортежей (x, y) в цикле вокруг кривой. Мне нравится организовывать эту информацию в еще одну структуру данных, которую я назову Generator:
Хорошо, у нас есть несколько пар ключей, но мы хотим, чтобы открытый ключ был связан с нашим случайно созданным секретным ключом, указанным выше. Используя только приведенный выше код, нам пришлось бы добавлять G к самому себе очень много раз, потому что секретный ключ — это большое целое число. Таким образом, результат будет правильным, но он будет работать очень медленно. Вместо этого давайте реализуем алгоритм «удвоить и сложить» (double and add), чтобы значительно ускорить повторное сложение. Опять же, посмотрите сообщение выше, чтобы узнать, почему это работает, но вот оно:
С помощью пары закрытый/открытый ключ мы создали нашу криптоисущность. Теперь пришло время получить связанный адрес биткойн-кошелька. Адрес кошелька — это не просто сам открытый ключ, он может быть детерминирован на его основе и имеет несколько дополнительных преимуществ (например, встроенную контрольную сумму). Прежде чем мы сможем сгенерировать адрес, нам нужно определить некоторые хэш-функции. Биткойн использует вездесущий SHA-256, а также RIPEMD-160. Мы могли бы просто подключать и играть, используя реализации в hashlib Python, но это должна быть реализация с нулевой зависимостью, так что import hashlib является жульничеством. Итак, сначала вот реализация SHA256, которую я написал на чистом Python в соответствии с (относительно читаемым) документом NIST FIPS PUB 180-4:
Хорошо, причина, по которой я хотел реализовать это с нуля и вставить сюда, заключается в том, что я хочу, чтобы вы заметили, что опять же, внутри нет ничего слишком страшного. SHA256 принимает несколько байтов сообщения, которое должно быть хэшировано, сначала заполняет сообщение, затем разбивает его на части и передает эти фрагменты в то, что лучше всего можно описать как причудливый «битовый миксер», определенный в разделе 3, который содержит несколько битовых сдвигов и бинарных операций, организованных таким образом, который, откровенно говоря, я не в силах понять, но это приводит к прекрасным свойствам, которые предлагает SHA256. В частности, он создает хаоично-выглядящий короткий дайджест фиксированного размера любого исходного сообщения переменного размера при том скремблирование необратимо, а также в принципе невозможно с вычислительной точки зрения создать другое сообщение, которое хешируется таким же дайджестом.
Биткойн повсеместно использует SHA256 для создания хэшей, и, конечно же, это ключевой элемент в Proof of Work биткойна, цель которого состоит в том, чтобы изменить блок транзакций до тех пор, пока все это не хешируется до достаточно низкого числа (когда байты дайджеста интерпретируется как число). Что из-за хороших свойств SHA256 может быть выполнено только с помощью брут форса, полного перебора. Таким образом, все ASIC, предназначенные для эффективного майнинга, представляют собой просто невероятно оптимизированные, close-to-the-metal реализации указанного выше кода.
В любом случае, прежде чем мы сможем сгенерировать наш адрес, нам также понадобится хэш-функция RIPEMD160, которую я нашел в Интернете, сократил и очистил:
Как и в случае с SHA256 выше, мы снова видим «битовый скремблер» множества двоичных операций. Довольно круто.
Теперь напечатаем наш биткойн-адрес:
Круто, теперь мы можем проверить какой-нибудь веб-сайт проводника блоков, чтобы убедиться, что этот адрес никогда ранее не выполнялся: www.blockchain.com/btc-testnet/address/mnNcaVkC35ezZSgvn8fhXEa9QTHSUtPfzQ. К концу этого руководства этого не произойдет, но на момент написания я действительно увидел, что этот адрес «чистый», поэтому никто не сгенерировал и не использовал секретный ключ в тестовой сети, как мы это делали выше. Это имеет смысл, потому что должен был быть какой-то другой «Андрей» с плохим чувством юмора, который также возился с биткойном. Но мы также можем проверить некоторые суперсекретные секретные ключи, которые, как мы ожидаем, использовались людьми в прошлом. Например, мы можем проверить адрес, принадлежащий наименьшему действующему секретному ключу, равному 1, где открытый ключ — это именно точка генератора :). Вот как мы это получаем:
В самом деле, как мы видим в обозревателе блокчейнов, на момент написания этот адрес совершал транзакции 1812 раз и имеет баланс 0,00 BTC. Это имеет смысл, потому что, если бы у него был какой-либо баланс (в наивном случае, по модулю некоторых тонкостей с языком сценариев, который мы будем использовать), то любой мог бы просто потратить его, потому что он знает секретный ключ (1) и может его использовать для цифровой подписи транзакций, которые их тратят. Мы скоро увидим, как это работает.
Часть 1: Итоги на данный момент
Мы можем сгенерировать криптосущность, состоящую из секретного ключа (случайного целого числа), известного только нам, и производного открытого ключа, прыгая по эллиптической кривой, используя скалярное умножение точки генерации на эллиптической кривой биткойна. Затем мы также получили связанный биткойн-адрес, которым мы можем поделиться с другими, чтобы запросить деньги, и для этого были введены две хэш-функции (SHA256 и RIPEMD160). Вот три важных количества, обобщенных и снова распечатанных:
? Как Python применяется в блокчейн
Сергей Кравченко
Блокчейн без крипты или сферы применения распределенных баз данных
Люди часто считают блокчейн «чем-то про криптовалюты», поэтому в сети можно встретить много спекулятивных материалов вокруг этой технологии. Действительно, впервые блокчейн был использован в качестве реестра транзакций Bitcoin в 2008 году. Это изобретение сделало биткоин первой цифровой валютой, которая решила проблему двойного расходования без необходимости в доверенном органе или центральном сервере. С тех пор сферы применения технологии значительно расширились.
В настоящее время блокчейн внедряется в различных социальных и корпоративных сегментах. К ним относятся электронное управление, социальные сети, электронная коммерция, транспорт, логистика, профессиональные коммуникации и многое другое.
Смарт-контракты
Смарт-контракты на основе блокчейна – это предлагаемые контракты, которые могут быть частично выполнены или принудительно исполнены без вмешательства человека.
Видеоигры
Торговля электроэнергией
Блокчейн также используется в одноранговой торговле электроэнергией – эта парадигма работы энергосистемы позволяет продавцам генерировать энергию в жилищах, офисах и на фабриках, а также делиться ею друг с другом на местном рынке.
Защита от подделок
Блокчейн можно использовать для обнаружения подделок путем уникальных идентификаторов связанных с продуктами, документами и грузами, которые нельзя подделать или изменить.
Python на цепи или преимущества Python для блокчейн
Хотя первоначально блокчейн для Bitcoin был реализован на C++, многие разработчики и специалисты по обработке данных обращаются к другим языкам программирования. Остановимся подробнее на Python.
Простота и популярность
Python поддерживается большим и увлеченным сообществом разработчиков, что гарантирует стабильность и надежность. Язык прост в освоении, что позволяет менее опытным разработчикам немедленно вносить свой вклад в проекты.
Например, в Python пробелами обозначают блоки кода, и разработчикам не нужно беспокоиться о добавлении фигурных скобок или ключевых слов. Это удобно для создания цепочки блоков без необходимости писать большое количество текста в программе.
Компилировать или нет – вот в чем вопрос
В отличие от C++, Python – язык сценариев, который не требует компиляции перед запуском, что делает жизнь разработчиков более комфортной. В компилируемом языке для исправления ошибки вам придется остановить приложение, вернуться к исходному коду, отредактировать и перекомпилировать его, а потом перезапустить программу. В Python нужно только исправить ошибку и перезагрузить приложение: вам не придется перекомпилировать код.
Готовые пакеты для Blockchain
Инструменты
Hashlib
Модуль реализует общий интерфейс для множества различных алгоритмов безопасного хеширования. Технология блокчейн сильно зависит от динамической криптографии.
Flask
В случае реального блокчейна его необходимо распределить, чтобы разные пользователи могли инициировать транзакции и создавать блоки. Для распределенных и веб-реализаций в Python существуют разные фреймворки: Flask – один из самых популярных инструментов.
Populus
Populus – это среда разработки смарт-контрактов для блокчейна Ethereum. Она была разработана, чтобы упростить жизнь программистов Python Ethereum.
Библиотека запросов
Requests – это элегантная и простая HTTP-библиотека для Python. Она понадобится в блокчейн, чтобы отправлять запрос на построение новой транзакции и добавление ее в блок.
Помимо этого набора инструментов вы можете найти на Github множество других подходящих библиотек на Python – от API до блокчейн на основе графов.
Пошаговое руководство
Для начала поставим библиотеку запросов и Flask (предполагается что Python у вас уже установлен).
Класс блока
Объединение блоков в цепочку происходит таким образом, что при подделке одного из них остальная часть цепочки становится недействительной. Чтобы реализовать это в Python, мы сначала создаем класс блока с атрибутами.
Хеширование
Python может использовать любую стандартную криптографическую хеш-функцию, например, из входящих в набор SHA-2. SHA-256 может быть реализован путем добавления метода compute_hash в блок класса:
Хеширование всех блоков обеспечивает безопасность каждого из них в отдельности, что делает чрезвычайно трудным вмешательство в данные внутри блоков.
Блокчейн
Proof-Of-Work
Система Proof-of-Work постепенно усложняет выполнение работы, необходимой для создания нового блока. Это означает, что модифицировавший предыдущий блок пользователь должен будет повторить работу этого блока и всех следующих за ним.
Чтобы реализовать такую систему, мы можем добавить метод proof_of_work в класс цепочки блоков.
Процедура майнинга
Чтобы использовать наш блокчейн, нужно будет создать интерфейс, с которым смогут взаимодействовать несколько пользователей или узлов. Для этого используем Flask.
Сначала мы определяем веб-приложение и создаем локальную цепочку блоков. Затем создаем конечную точку, которая позволяет нам отправлять запрос для отображения соответствующей информации о блокчейне.
Проверяем
Запускаем наш блокчейн из каталога
Вывод должен быть похож на это:
Открываем соседнее окно и запускаем:
Работает, что и требовалось доказать.
Резюме
Еще один интересный вариант доступен в статье « Реализуем свой Bitcoin на Python ».
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.
Для создания запросов рекомендуем скачать Postman.
Начало
После создания конструктора добавляем пустой список для хранения блокчейна:
Ещё нам понадобится список для хранения транзакций, поэтому получаем вот такой класс Blockchain :
Пока эти функции не будут выполнять никаких действий, но скоро мы к ним вернёмся.
И наконец напишем метод lastBlock() :
Создание блока
Внесение новых транзакций
Далее добавим новую транзакцию в список:
В конце этот метод должен возвращать индекс транзакции:
Что придаёт ему такой вид:
Создание нового блока
Прежде чем начать строить новые блоки, нужно создать в конструкторе один центральный блок:
Затем заполняем метод addBlock() :
Использовать хеширование довольно легко. По сути, это шифрование строки.
Дальше нам нужно добавить ещё один метод — lastBlock() :
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:
Напишем два новых методов:
Заполним их вот так:
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:
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:
Конечная точка майнинга
Здесь нам нужно добавить немного кода перед тем как заработает точка майнинга. И должно произойти лишь:
· новый блок + добавление его к блокчейну.
Запуск API блокчейна
Запустим API, открыв программу Python:
Для майнинга блока можно использовать Postman или Curl:
А узнать количество замайненных блоков можно на http://localhost:5000/chain. Появится цепь в формате JSON:
Полный код
Заключение
На этом всё. Вот как вы можете создать простой блокчейн на Python!