python區(qū)塊鏈持久化和命令行接口實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)版
說(shuō)明
本文根據(jù)https://github.com/liuchengxu/blockchain-tutorial的內(nèi)容,用python實(shí)現(xiàn)的,但根據(jù)個(gè)人的理解進(jìn)行了一些修改,大量引用了原文的內(nèi)容。文章末尾有"本節(jié)完整源碼實(shí)現(xiàn)地址"。
引言
到目前為止,我們已經(jīng)構(gòu)建了一個(gè)有工作量證明機(jī)制的區(qū)塊鏈。有了工作量證明,挖礦也就有了著落。雖然目前距離一個(gè)有著完整功能的區(qū)塊鏈越來(lái)越近了,但是它仍然缺少了一些重要的特性。在今天的內(nèi)容中,我們會(huì)將區(qū)塊鏈持久化到一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)中,然后會(huì)提供一個(gè)簡(jiǎn)單的命令行接口,用來(lái)完成一些與區(qū)塊鏈的交互操作。本質(zhì)上,區(qū)塊鏈?zhǔn)且粋€(gè)分布式數(shù)據(jù)庫(kù),不過(guò),我們暫時(shí)先忽略 “分布式” 這個(gè)部分,僅專(zhuān)注于 “存儲(chǔ)” 這一點(diǎn)。
選擇數(shù)據(jù)庫(kù)
目前,我們的區(qū)塊鏈實(shí)現(xiàn)里面并沒(méi)有用到數(shù)據(jù)庫(kù),而是在每次運(yùn)行程序時(shí),簡(jiǎn)單地將區(qū)塊鏈存儲(chǔ)在內(nèi)存中。那么一旦程序退出,所有的內(nèi)容就都消失了。我們沒(méi)有辦法再次使用這條鏈,也沒(méi)有辦法與其他人共享,所以我們需要把它存儲(chǔ)到磁盤(pán)上。
那么,我們要用哪個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)呢?實(shí)際上,任何一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)都可以。在 比特幣原始論文 中,并沒(méi)有提到要使用哪一個(gè)具體的數(shù)據(jù)庫(kù),它完全取決于開(kāi)發(fā)者如何選擇。 Bitcoin Core ,最初由中本聰發(fā)布,現(xiàn)在是比特幣的一個(gè)參考實(shí)現(xiàn),它使用的是 LevelDB。而我們將要使用的是…
couchdb
因?yàn)樗?
- 簡(jiǎn)單易用
- 有一個(gè)web的UI界面,方便我們查看
- 豐富的查詢(xún)支持
- 良好的python支持
couchdb的安裝
直接安裝,參考http://www.dhdzp.com/article/202914.htm
docker版couchdb安裝,使用docker-compose安裝couchdb
# couchdb.yaml
version: '2'
services:
couchdb:
image: hyperledger/fabric-couchdb
ports:
- 5984:5984
執(zhí)行docker-compose -f couchdb.yaml up -d即可安裝。
使用http://ip:5984/_utils即可訪問(wèn)couchdb的后臺(tái)管理系統(tǒng)。
數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)
在開(kāi)始實(shí)現(xiàn)持久化的邏輯之前,我們首先需要決定到底要如何在數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行存儲(chǔ)。為此,我們可以參考 Bitcoin Core 的做法:
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō),Bitcoin Core 使用兩個(gè) “bucket” 來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù):
- 其中一個(gè) bucket 是 blocks,它存儲(chǔ)了描述一條鏈中所有塊的元數(shù)據(jù)
- 另一個(gè) bucket 是 chainstate,存儲(chǔ)了一條鏈的狀態(tài),也就是當(dāng)前所有的未花費(fèi)的交易輸出,和一些元數(shù)據(jù)
此外,出于性能的考慮,Bitcoin Core 將每個(gè)區(qū)塊(block)存儲(chǔ)為磁盤(pán)上的不同文件。如此一來(lái),就不需要僅僅為了讀取一個(gè)單一的塊而將所有(或者部分)的塊都加載到內(nèi)存中。而我們直接使用couchdb。
在 blocks 中,key -> value 為:
| key | value |
|---|---|
| b + 32 字節(jié)的 block hash | block index record |
| f + 4 字節(jié)的 file number | file information record |
| l + 4 字節(jié)的 file number | the last block file number used |
| R + 1 字節(jié)的 boolean | 是否正在 reindex |
| F + 1 字節(jié)的 flag name length + flag name string | 1 byte boolean: various flags that can be on or off |
| t + 32 字節(jié)的 transaction hash | transaction index record |
在 chainstate,key -> value 為:
| key | value |
|---|---|
| c + 32 字節(jié)的 transaction hash | unspent transaction output record for that transaction |
| B | 32 字節(jié)的 block hash: the block hash up to which the database represents the unspent transaction outputs |
詳情可見(jiàn) 這里。
因?yàn)槟壳斑€沒(méi)有交易,所以我們只需要 blocks bucket。另外,正如上面提到的,我們會(huì)將整個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)為單個(gè)文件,而不是將區(qū)塊存儲(chǔ)在不同的文件中。所以,我們也不會(huì)需要文件編號(hào)(file number)相關(guān)的東西。最終,我們會(huì)用到的鍵值對(duì)有:
- 32 字節(jié)的 block-hash(轉(zhuǎn)換為16進(jìn)制字符串) -> block 結(jié)構(gòu)
- l -> 鏈中最后一個(gè)塊的 hash(轉(zhuǎn)換為16進(jìn)制字符串)
這就是實(shí)現(xiàn)持久化機(jī)制所有需要了解的內(nèi)容了。
序列化
為了方便我們查看,這里我們不直接使用二進(jìn)制數(shù)據(jù),而將其轉(zhuǎn)換為16進(jìn)制字符串。所以我們需要對(duì)區(qū)塊內(nèi)容進(jìn)行序列化。
讓我們來(lái)實(shí)現(xiàn) Block 的 Serialize 方法:
# class Block
def serialize(self):
return {
"magic_no": self._magic_no,
"block_header": self._block_header.serialize(),
"transactions": self._transactions
}
直接返回我們需要的數(shù)據(jù)構(gòu)成的字典即可,而block_header則需要進(jìn)一步序列化。它的序列化同樣也只需要返回具體的數(shù)據(jù)字典即可,如下:
# class BlockHeader
def serialize(self):
return self.__dict__
反序列化則是把信息轉(zhuǎn)換為區(qū)塊對(duì)象。
# class Block
@classmethod
def deserialize(cls, data):
block_header_dict = data['block_header']
block_header = BlockHeader.deserialize(block_header_dict)
transactions = data["transactions"]
return cls(block_header, transactions)
首先反序列化塊,然后構(gòu)造成一個(gè)對(duì)象,反序列化Header:
# class BlockHeader
@classmethod
def deserialize(cls, data):
timestamp = data.get('timestamp', '')
prev_block_hash = data.get('pre_block_hash', '')
# hash = data.get('hash', '')
hash_merkle_root = data.get('hash_merkle_root', '')
height = data.get('height', '')
nonce = data.get('nonce', '')
block_header = cls(hash_merkle_root, height, prev_block_hash)
block_header.timestamp = timestamp
block_header.nonce = nonce
return block_header
持久化
持久化要做的事情就是把區(qū)塊數(shù)據(jù)寫(xiě)入到數(shù)據(jù)庫(kù)中,則我們要做的事情有:
- 檢查數(shù)據(jù)庫(kù)是否已經(jīng)有了一個(gè)區(qū)塊鏈
- 如果沒(méi)有則創(chuàng)建一個(gè),創(chuàng)建創(chuàng)世塊并將l指向這個(gè)塊的哈希
- 添加一個(gè)區(qū)塊,將l指向新添加的區(qū)塊哈希
創(chuàng)建創(chuàng)世塊如下:
# class BlockChain:
def new_genesis_block(self):
if 'l' not in self.db:
genesis_block = Block.new_genesis_block('genesis_block')
genesis_block.set_header_hash()
self.db.create(genesis_block.block_header.hash, genesis_block.serialize())
self.set_last_hash(genesis_block.block_header.hash)
添加一個(gè)區(qū)塊如下:
def add_block(self, transactions):
"""
add a block to block_chain
"""
last_block = self.get_last_block()
prev_hash = last_block.get_header_hash()
height = last_block.block_header.height + 1
block_header = BlockHeader('', height, prev_hash)
block = Block(block_header, transactions)
block.mine()
block.set_header_hash()
self.db.create(block.block_header.hash, block.serialize())
last_hash = block.block_header.hash
self.set_last_hash(last_hash)
對(duì)couchdb的操作的簡(jiǎn)單封裝如下:
class DB(Singleton):
def __init__(self, db_server_url, db_name='block_chain'):
self._db_server_url = db_server_url
self._server = couchdb.Server(self._db_server_url)
self._db_name = db_name
self._db = None
@property
def db(self):
if not self._db:
try:
self._db = self._server[self._db_name]
except couchdb.ResourceNotFound:
self._db = self._server.create(self._db_name)
return self._db
def create(self, id, data):
self.db[id] = data
return id
def __getattr__(self, name):
return getattr(self.db, name)
def __contains__(self, name):
return self.db.__contains__(name)
def __getitem__(self, key):
return self.db[key]
def __setitem__(self, key, value):
self.db[key] = value
區(qū)塊鏈迭代器
由于我們現(xiàn)在使用了數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ),不再是數(shù)組,那么我們便失去了迭代打印區(qū)塊鏈的特性,我們需要重寫(xiě)__getitem__以獲得該特性,實(shí)現(xiàn)如下:
# class BlockChain(object):
def __getitem__(self, index):
last_block = self.get_last_block()
height = last_block.block_header.height
if index <= height:
return self.get_block_by_height(index)
else:
raise IndexError('Index is out of range')
# class BlockChain(object):
def get_block_by_height(self, height):
"""
Get a block by height
"""
query = {"selector": {"block_header": {"height": height}}}
docs = self.db.find(query)
block = Block(None, None)
for doc in docs:
block.deserialize(doc)
break
return block
根據(jù)區(qū)塊高度獲取對(duì)應(yīng)的區(qū)塊,此處是利用了couchdb的mongo_query的富查詢(xún)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
CLI
到目前為止,我們的實(shí)現(xiàn)還沒(méi)有提供一個(gè)與程序交互的接口。是時(shí)候加上交互了:
這里我們使用argparse來(lái)解析參數(shù):
def new_parser():
parser = argparse.ArgumentParser()
sub_parser = parser.add_subparsers(help='commands')
# A print command
print_parser = sub_parser.add_parser(
'print', help='Print all the blocks of the blockchain')
print_parser.add_argument('--print', dest='print', action='store_true')
# A add command
add_parser = sub_parser.add_parser(
'addblock', help='Print all the blocks of the blockchain')
add_parser.add_argument(
'--data', type=str, dest='add_data', help='block data')
return parser
def print_chain(bc):
for block in bc:
print(block)
def add_block(bc, data):
bc.add_block(data)
print("Success!")
def main():
parser = new_parser()
args = parser.parse_args()
bc = BlockChain()
if hasattr(args, 'print'):
print_chain(bc)
if hasattr(args, 'add_data'):
add_block(bc, args.add_data)
if __name__ == "__main__":
main()
測(cè)試一下
# 創(chuàng)世塊創(chuàng)建
$python3 main.py
Mining a new block
Found nonce == 19ash_hex == 047f213bcb01f1ffbcdfafad57ffeead0e86924cf439594020da47ff2508291c
<Document 'l'@'191-2f44a1493638684d9e000d8dd105192a' {'hash': 'e4f7adac65bcbb304af21be52a1b52bb28c0205a3746d63453d9e8c182de927a'}>
Mining a new block
Found nonce == 1ash_hex == 0df1ac18c84a8e524d6fe49cb04aae9af02dd85addc4ab21ac13f9d0d7ffe769
<Document 'l'@'192-168ff7ea493ca53c66690985deb5b7ac' {'hash': '01015004e21d394b1a6574eb81896e1c800f18aa22997e96b79bca22f7821a67'}>
Block(_block_header=BlockHeader(timestamp='1551317137.2814202', hash_merkle_root='', prev_block_hash='', hash='f20f3c74c831d03aaa2291af23e607896a61809b5ced222483b46795a456a1c5', nonce=None, height=0))
Block(_block_header=BlockHeader(timestamp='1551317137.358466', hash_merkle_root='', prev_block_hash='f20f3c74c831d03aaa2291af23e607896a61809b5ced222483b46795a456a1c5', hash='e4f7adac65bcbb304af21be52a1b52bb28c0205a3746d63453d9e8c182de927a', nonce=19, height=1))
Block(_block_header=BlockHeader(timestamp='1551317137.4621542', hash_merkle_root='', prev_block_hash='e4f7adac65bcbb304af21be52a1b52bb28c0205a3746d63453d9e8c182de927a', hash='01015004e21d394b1a6574eb81896e1c800f18aa22997e96b79bca22f7821a67', nonce=1, height=2))
$python3 cli.py addblock --data datas
Mining a new block
Found nonce == 6ash_hex == 0864df4bfbb2fd115eeacfe9ff4d5813754198ba261c469000c29b74a1b391c5
<Document 'l'@'193-92e02b894d09dcd64f8284f141775920' {'hash': '462ac519b6050acaa78e1be8c2c8de298b713a2e138d7139fc882f7ae58dcc88'}>
Success!
一切正常工作。
參考:
[1] persistence-and-cli
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