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python区块链简易版交易完善挖矿奖励示例

作者:晓彬_

这篇文章主要介绍了python区块链简易版交易完善挖矿奖励示例,有需要的朋友可以借鉴参考下,希望能够有所帮助,祝大家多多进步,早日升职加薪

说明

本文根据https://github.com/liuchengxu/blockchain-tutorial的内容,用python实现的,但根据个人的理解进行了一些修改,大量引用了原文的内容。文章末尾有"本节完整源码实现地址"。

引言

在这个系列文章的一开始,我们就提到了,区块链是一个分布式数据库。不过在之前的文章中,我们选择性地跳过了“分布式”这个部分,而是将注意力都放到了“数据库”部分。到目前为止,我们几乎已经实现了一个区块链数据库的所有元素。今天,我们将会分析之前跳过的一些机制。而在下一篇文章中,我们将会开始讨论区块链的分布式特性。

奖励

上一篇文章中,我们略过的一个小细节是挖矿奖励。现在,我们已经可以来完善这个细节了。

挖矿奖励,实际上就是一笔 coinbase 交易。当一个挖矿节点开始挖出一个新块时,它会将交易从队列中取出,并在前面附加一笔 coinbase 交易。coinbase 交易只有一个输出,里面包含了矿工的公钥哈希。

实现奖励,非常简单,更新 send 即可:

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)
    # reward to wallets[0]
    wallets = Wallets()
    keys = list(wallets.wallets.keys())
    w = wallets[keys[0]]
    coin_base_tx = self.coin_base_tx(w.address)
    transactions.insert(0, coin_base_tx)
    block = Block(block_header, transactions)
    block.mine(self)
    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)
    utxo = UTXOSet()
    utxo.update(block)

奖励给当前钱包的第一个地址。

UTXO 集

在 Part 3: 持久化和命令行接口 中,我们研究了 Bitcoin Core 是如何在一个数据库中存储块的,并且了解到区块被存储在 blocks 数据库,交易输出被存储在 chainstate 数据库。会回顾一下 chainstate 的机构:

c + 32 字节的交易哈希 -> 该笔交易的未花费交易输出记录

B + 32 字节的块哈希 -> 未花费交易输出的块哈希

在之前那篇文章中,虽然我们已经实现了交易,但是并没有使用 chainstate 来存储交易的输出。所以,接下来我们继续完成这部分。

chainstate 不存储交易。它所存储的是 UTXO 集,也就是未花费交易输出的集合。除此以外,它还存储了“数据库表示的未花费交易输出的块哈希”,不过我们会暂时略过块哈希这一点,因为我们还没有用到块高度(但是我们会在接下来的文章中继续改进)。

那么,我们为什么需要 UTXO 集呢?

来思考一下我们早先实现的 Blockchain._find_unspent_transactions 方法:

def _find_unspent_transactions(self, address):
    """
    Find all unspent transactions
    """
    spent_txos = {}
    unspent_txs = {}
    last_block = self.get_last_block()
    last_height = last_block.block_header.height
    # Reverse
    for height in range(last_height, -1, -1):
        block = self.get_block_by_height(height)
        for tx in block.transactions:
            txid = tx.txid
            # all outputs
            for vout_index, vout in enumerate(tx.vouts):
                txos = spent_txos.get(txid, [])
                # vout_index is spent
                if vout_index in txos:
                    continue
                if vout.can_unlock_output_with(address):
                    old_vouts = unspent_txs.get(tx, [])
                    old_vouts.append(vout)
                    unspent_txs[tx] = old_vouts
            if not tx.is_coinbase():
                for vin in tx.vins:
                    if vin.can_be_unlocked_with(address):
                        txid_vouts = spent_txos.get(txid, [])
                        txid_vouts.append(vin.vout)
                        spent_txos[vin.txid] = txid_vouts
    return unspent_txs

这个函数找到有未花费输出的交易。由于交易被保存在区块中,所以它会对区块链里面的每一个区块进行迭代,检查里面的每一笔交易。截止 2017 年 9 月 18 日,在比特币中已经有 485,860 个块,整个数据库所需磁盘空间超过 140 Gb。这意味着一个人如果想要验证交易,必须要运行一个全节点。此外,验证交易将会需要在许多块上进行迭代。
整个问题的解决方案是有一个仅有未花费输出的索引,这就是 UTXO 集要做的事情:这是一个从所有区块链交易中构建(对区块进行迭代,但是只须做一次)而来的缓存,然后用它来计算余额和验证新的交易。截止 2017 年 9 月,UTXO 集大概有 2.7 Gb。

好了,让我们来想一下实现 UTXO 集的话需要作出哪些改变。目前,找到交易用到了以下一些方法:

可以看到,所有方法都对数据库中的所有块进行迭代。但是目前我们还没有改进所有方法,因为 UTXO 集没法存储所有交易,只会存储那些有未花费输出的交易。因此,它无法用于 Blockchain.FindTransaction。

所以,我们想要以下方法:

因此,从现在开始,两个最常用的函数将会使用 cache!来开始写代码吧。

class UTXOSet(Singleton):
    FLAG = 'UTXO'
    def __init__(self, db_url='http://127.0.0.1:5984'):
        self.db = DB(db_url)

这里使用一个FLAG来区分普通区块和UTXO。

def reindex(self, bc):
    key = self.FLAG + "l"
    last_block = bc.get_last_block()
    if key not in self.db:
        utxos = bc.find_UTXO()
        for txid, index_vouts in utxos.items():
            key = self.FLAG + txid
            # outs = []
            for index_vout in index_vouts:
                vout = index_vout[1]
                index = index_vout[0]
                vout_dict = vout.serialize()
                vout_dict.update({"index": index})
                tmp_key = key + "-"+str(index)
                try:
                    self.db.create(tmp_key, vout_dict)
                except ResourceConflict as e:
                    print(e)
        if not last_block:
            return
        self.set_last_height(last_block.block_header.height)
    else:
        utxo_last_height = self.get_last_height()
        last_block_height = last_block.block_header.height
        for i in range(utxo_last_height, last_block_height):
            block = bc.get_block_by_height(i)
            self.update(block)

这个方法首先判断是否已经构建过UTXO集,如果没有构建过就从头开始构建UTXO集,如果已经构建过了,就把当前UTXO的区块至最新的区块进行更新。
Blockchain.FindUTXO 几乎跟 Blockchain.FindUnspentTransactions 一模一样,但是现在它返回了一个 TransactionID -> TransactionOutputs 的 map。

现在,UTXO 集可以用于发送币:

def find_spendable_outputs(self, address, amount):
    utxos = self.find_utxo(address)
    accumulated = 0
    spendable_utxos = []
    for ftxo in utxos:
        output = ftxo.txoutput
        accumulated += output.value
        spendable_utxos.append(ftxo)
        if accumulated >= amount:
            break
    return accumulated, spendable_utxos

或者检查余额:

def find_utxo(self, address):
    query = {
        "selector": {
            "_id": {
                "$regex": "^UTXO"
            },
            "pub_key_hash": address
        }
    }
    docs = self.db.find(query)
    utxos = []
    for doc in docs:
        index = doc.get("index", None)
        if index is None:
            continue
        doc_id = doc.id
        txid_index_str = doc_id.replace(self.FLAG, "")
        _flag_index = txid_index_str.find("-")
        txid = txid_index_str[:_flag_index]
        ftxo = FullTXOutput(txid, TXOutput.deserialize(doc), index)
        utxos.append(ftxo)
    return utxos

有了 UTXO 集,也就意味着我们的数据(交易)现在已经被分开存储:实际交易被存储在区块链中,未花费输出被存储在 UTXO 集中。这样一来,我们就需要一个良好的同步机制,因为我们想要 UTXO 集时刻处于最新状态,并且存储最新交易的输出。但是我们不想每生成一个新块,就重新生成索引,因为这正是我们要极力避免的频繁区块链扫描。因此,我们需要一个机制来更新 UTXO 集:

def update(self, block):
    for tx in block.transactions:
        txid = tx.txid
        key = self.FLAG + txid
        # add uxto
        for vout_index, vout in enumerate(tx.vouts):
            vout_dict = vout.serialize()
            vout_dict.update({"index": vout_index})
            tmp_key = key + "-" +str(vout_index)
            try:
                self.db.create(tmp_key, vout_dict)
            except ResourceConflict as e:
                print(e)
        # vins delete used utxo
        for vin in tx.vins:
            vin_txid = vin.txid
            key = self.FLAG + vin_txid + "-" +str(vin.vout)
            doc = self.db.get(key)
            if not doc:
                continue
            try:
                self.db.delete(doc)
            except ResourceNotFound as e:
                print(e)
    self.set_last_height(block.block_header.height)

虽然这个方法看起来有点复杂,但是它所要做的事情非常直观。当挖出一个新块时,应该更新 UTXO 集。更新意味着移除已花费输出,并从新挖出来的交易中加入未花费输出。如果一笔交易的输出被移除,并且不再包含任何输出,那么这笔交易也应该被移除。相当简单!

# 创建创世块
$python3 main.py
<wallet.Wallet object at 0x0000010AED8276A0> <wallet.Wallet object at 0x0000010AED827940>
19RUj6zvbrAXNnEtkuric5pYQJTkZy57nc 17AEyyKbeoEbfMa3jS8Uji6tVG37DrTJN9
Mining a new block
Found nonce == 53ash_hex == 0adfd71d90955ad9219871d8abe03ae83ef9f1f13f9a141ef6ca0ce2d16c93af
('conflict', 'Document update conflict.')
Block(_block_header=BlockHeader(timestamp='1551246051.6814992', hash_merkle_root='1f6cf2e68e8ab0dda1cc1550f85b4df85b83db3cc3af262b26a5a306121725be', prev_block_hash='', hash='ef20a87f2edc8589e813be60d534e736f51c45a3ec94e1918c18bce057afc89d', nonce=None, height=0))
Block(_block_header=BlockHeader(timestamp='1551246052.0582814', hash_merkle_root='3cf2c8514fdaac0cb2b6502f72cf267bcf9966042be28ee48eff61e4695a90f2', prev_block_hash='ef20a87f2edc8589e813be60d534e736f51c45a3ec94e1918c18bce057afc89d', hash='b0bdedf26575722a7efdf94db7dfa60c1c4dfe1483529ff04dd553d6828de718', nonce=53, height=1))
# 转账
$python3 cli.py send --from 19RUj6zvbrAXNnEtkuric5pYQJTkZy57nc --to 17AEyyKbeoEbfMa3jS8Uji6tVG37DrTJN9 --amount 10
Mining a new block
Found nonce == 20ash_hex == 07e91245d4e66b66279224980b0325c37d2f2e54a75402bdcd8fe55346cb3dcb
send 10 from 19RUj6zvbrAXNnEtkuric5pYQJTkZy57nc to 17AEyyKbeoEbfMa3jS8Uji6tVG37DrTJN9
# 查询余额
$python3 cli.py balance 19RUj6zvbrAXNnEtkuric5pYQJTkZy57nc
19RUj6zvbrAXNnEtkuric5pYQJTkZy57nc balance is 1980

一切工作正常, 19RUj6zvbrAXNnEtkuric5pYQJTkZy57nc收到了创世块和转账的奖励2000个,转账了两次一共使用了20个,剩余1980个。

Merkle 树

在这篇文章中,我还想要再讨论一个优化机制。

上如上面所提到的,完整的比特币数据库(也就是区块链)需要超过 140 Gb 的磁盘空间。因为比特币的去中心化特性,网络中的每个节点必须是独立,自给自足的,也就是每个节点必须存储一个区块链的完整副本。随着越来越多的人使用比特币,这条规则变得越来越难以遵守:因为不太可能每个人都去运行一个全节点。并且,由于节点是网络中的完全参与者,它们负有相关责任:节点必须验证交易和区块。另外,要想与其他节点交互和下载新块,也有一定的网络流量需求。

在中本聪的 比特币原始论文 中,对这个问题也有一个解决方案:简易支付验证(Simplified Payment Verification, SPV)。SPV 是一个比特币轻节点,它不需要下载整个区块链,也不需要验证区块和交易。相反,它会在区块链查找交易(为了验证支付),并且需要连接到一个全节点来检索必要的数据。这个机制允许在仅运行一个全节点的情况下有多个轻钱包。

为了实现 SPV,需要有一个方式来检查是否一个区块包含了某笔交易,而无须下载整个区块。这就是 Merkle 树所要完成的事情。

比特币用 Merkle 树来获取交易哈希,哈希被保存在区块头中,并会用于工作量证明系统。到目前为止,我们只是将一个块里面的每笔交易哈希连接了起来,将在上面应用了 SHA-256 算法。虽然这是一个用于获取区块交易唯一表示的一个不错的途径,但是它没有利用到 Merkle 树。

来看一下 Merkle 树:

每个块都会有一个 Merkle 树,它从叶子节点(树的底部)开始,一个叶子节点就是一个交易哈希(比特币使用双 SHA256 哈希)。叶子节点的数量如果不是双数,就只取单个数据的hash。

从下往上,两两成对,连接两个节点哈希,将组合哈希作为新的哈希。新的哈希就成为新的树节点。重复该过程,直到仅有一个节点,也就是树根。根哈希然后就会当做是整个块交易的唯一标示,将它保存到区块头,然后用于工作量证明。

Merkle 树的好处就是一个节点可以在不下载整个块的情况下,验证是否包含某笔交易。并且这些只需要一个交易哈希,一个 Merkle 树根哈希和一个 Merkle 路径。

这部分的描述和https://github.com/liuchengxu/blockchain-tutorial/blob/master/content/part-6/transactions-2.md描述有所不同,

因为存在叶子节点为双数,但是第二层为单数的情况,会导致原版代码出现索引越界的情况。这部分的描述参考http://shouce.jb51.net/blockchain_guide/crypto/merkle_trie.html

实现代码如下:

class MerkleNode(object):
    def __init__(self, left_node, right_node, data):
        self.left = left_node
        self.right = right_node
        if not self.left and not self.right:
            self.data = sum256_hex(data)
        else:
            data = self.left.data + self.right.data
            self.data = sum256_hex(data)
class MerkleTree(object):
    def __init__(self, datas):
        nodes = []
        for data_item in datas:
            node = MerkleNode(None, None, data_item)
            nodes.append(node)
        for _ in range(len(datas)//2):
            new_level = []
            for j in range(0, len(nodes), 2):
                if j + 1 >= len(nodes):
                    node = MerkleNode(nodes[j], "", None)
                else:
                    node = MerkleNode(nodes[j], nodes[j+1], None)
                new_level.append(node)
            nodes = new_level
        self.root_node = nodes[0]
    @property
    def root_hash(self):
        return self.root_node.data

如果最后只有单个节点,那么就将另一个数据置空,只计算一个数据的哈希。

if j + 1 >= len(nodes):
    node = MerkleNode(nodes[j], "", None)

根节点的data域就是哈希。

@property
def root_hash(self):
    return self.root_node.data

P2PKH

还有一件事情,我想要再谈一谈。

大家应该还记得,在比特币中有一个 *脚本(Script)*编程语言,它用于锁定交易输出;交易输入提供了解锁输出的数据。这个语言非常简单,用这个语言写的代码其实就是一系列数据和操作符而已。比如如下示例:

5 2 OP_ADD 7 OP_EQUAL

5, 2, 和 7 是数据,OP_ADD 和 OP_EQUAL 是操作符。脚本代码从左到右执行:将数据依次放入栈内,当遇到操作符时,就从栈内取出数据,并将操作符作用于数据,然后将结果作为栈顶元素。脚本的栈,实际上就是一个先进后出的内存存储:栈里的第一个元素最后一个取出,后面的每一个元素都会放到前一个元素之上。

让我们来对上面的脚本分部执行:

步骤脚本说明
15 2 OP_ADD 7 OP_EQUAL一开始栈为空
252 OP_ADD 7 OP_EQUAL从脚本里面取出 5 放入栈上
35 2OP_ADD 7 OP_EQUAL从脚本里面取出 2 放入栈上
477 OP_EQUAL遇到操作符 OP_ADD, 从栈里取出两个操作数 5 和 2,相加后将结果放回栈上
57 7OP_EQUAL从脚本里面取出 7 放到栈上
6true遇到操作符 OP_EQUAL,从栈里取出两个操作数并比较,将比较的结果放回栈内,脚本执行完毕,为空

OP_ADD 从栈内取两个元素,将这两个元素进行相加,然后将结果重新放回栈内。OP_EQUAL 从栈内取两个元素,然后对这两个元素进行比较:如果它们相等,就在栈上放一个 true,否则放一个 false。脚本执行的结果就是栈顶元素:在我们的案例中,如果是 true,那么表明脚本执行成功。

现在来看一下在比特币中,是如何用脚本执行支付的:

<signature> <pubKey> OP_DUP OP_HASH160 <pubKeyHash> OP_EQUALVERIFY OP_CHECKSIG

这个脚本叫做 Pay to Public Key Hash(P2PKH),这是比特币最常用的一个脚本。它所做的事情就是向一个公钥哈希支付,也就是说,用某一个公钥锁定一些币。这是比特币支付的核心:没有账户,没有资金转移;只有一个脚本检查提供的签名和公钥是否正确。

这个脚本实际存储为两个部分:

第一个部分,<signature> <pubkey>,存储在输入的 ScriptSig 字段。

第二部分,OP_DUP OP_HASH160 <pubkeyHash> OP_EQUALVERYFY OP_CHECKSIG 存储在输出的 ScriptPubKey 里面。

因此,输出定了解锁的逻辑,输入提供解锁输出的“钥匙”。然我们来执行一下这个脚本:

步骤脚本
1<signature> <pubKey> OP_DUP OP_HASH160 <pubKeyHash> OP_EQUALVERIFY OP_CHECKSIG
2<signature><pubKey> OP_DUP OP_HASH160 <pubKeyHash> OP_EQUALVERIFY OP_CHECKSIG
3<signature> <pubkey>OP_DUP OP_HASH160 <pubKeyHash> OP_EQUALVERIFY OP_CHECKSIG
4<signature> <pubKey> <pubKey>OP_HASH160 <pubKeyHash> OP_EQUALVERIFY OP_CHECKSIG
5<signature> <pubKey> <pubKeyHash><pubKeyHash> OP_EQUALVERIFY OP_CHECKSIG
6<signature> <pubKey> <pubKeyHash> <pubKeyHash>OP_EQUALVERIFY OP_CHECKSIG
7<signature> <pubKey>OP_CHECKSIG
8true 或 false

OP_DUP 对栈顶元素进行复制。OP_HASH160 取栈顶元素,然后用 RIPEMD160 对它进行哈希,再将结果送回到栈上。OP_EQUALVERIFY 将栈顶的两个元素进行比较,如果它们不相等,终止脚本。OP_CHECKSIG 通过对交易进行哈希,并使用 <signature> 和 pubKey 来验证一笔交易的签名。最后的操作符有点复杂:它生成了一个修剪后的交易副本,对它进行哈希(因为它是一个被签名后的交易哈希),然后使用提供的 <signature> 和 pubKey 检查签名是否正确。

有了一个这样的脚本语言,实际上也可以让比特币成为一个智能合约平台:除了将一个单一的公钥转移资金,这个语言还使得一些其他的支付方案成为可能。

总结

参考:

[1] transactions2

[2] 本节完整实现源码

这就是今天的全部内容了!我们已经实现了一个基于区块链的加密货币的几乎所有关键特性。我们已经有了区块链,地址,挖矿和交易。我们还缺少网络让所有的节点联合起来,更多关于python区块链挖矿奖励交易的资料请关注脚本之家其它相关文章!

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