🐍 Как Python применяется в блокчейн

Почему популярный язык программирования используется для блокчейна? Какие готовые инструменты Python помогут реализовать собственный проект? Как пошагово создать распределенную базу данных? На эти вопросы мы постараемся ответить в статье.

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.

*Не путать с распределенными вычислениями!

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

В ноябре 2017 года была запущена игра CryptoKitties, которая продемонстрировала использование блокчейна для каталогизации игровых активов.

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

Для Python есть множество инструментов и библиотек, которые можно использовать при разработке технологий блокчейн. Многие из них доступны бесплатно в официальных репозиториях.

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.

$ pip install flask

Populus

Populus – это среда разработки смарт-контрактов для блокчейна Ethereum. Она была разработана, чтобы упростить жизнь программистов Python Ethereum.

$ pip install populus

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.

$ pip install requests

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).

$ python -m pip install requests
$ pip install flask

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.

class Block:
    def __init__(self, index, transactions, timestamp, previous_hash):
        self.index = index
        self.transactions = transactions
        self.timestamp = timestamp
        self.previous_hash = previous_hash
        self.nonce = 0

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:

from hashlib import sha256
 import json 
    def compute_hash(self):
        block_string = json.dumps(self.__dict__, sort_keys=True)
        return sha256(block_string.encode()).hexdigest()

Хеширование всех блоков обеспечивает безопасность каждого из них в отдельности, что делает чрезвычайно трудным вмешательство в данные внутри блоков.

Блокчейн

Создадим новый класс для блокчейна. Информация обо всех данных в каждом блоке устанавливает механизм защиты целостности всей цепочки. Для этого используем переменную previous_hash. Для инициализации блокчейна определяем create_genesis_blockmethod. Это создает начальный блок с индексом 0 и предыдущим хешем 0. Затем мы добавляем его в список, который отслеживает каждый блок.

import time
class Blockchain:
    def __init__(self):
        self.unconfirmed_transactions = []
        self.chain = []
        self.create_genesis_block()
    def create_genesis_block(self):
        genesis_block = Block(0, [], time.time(), "0")
        genesis_block.hash = genesis_block.compute_hash()
        self.chain.append(genesis_block)
#Функция для создания блока генезиса и добавления его в цепь
    @property
    def last_block(self):
        return self.chain[-1]

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.

difficulty = 2
    def proof_of_work(self, block):
        block.nonce = 0
        computed_hash = block.compute_hash()
        while not computed_hash.startswith('0' * Blockchain.difficulty):
            block.nonce += 1
            computed_hash = block.compute_hash()
        return computed_hash

Процедура майнинга

Добавляем еще несколько методов в класс цепочки блоков: чтобы собрать все вместе и чтобы мы могли фактически построить цепочку. Изначально будем хранить данные каждой транзакции в unconfirmed_transactions.

def is_valid_proof(self, block, block_hash):
        return (block_hash.startswith('0' * Blockchain.difficulty) and
                block_hash == block.compute_hash())
    def add_new_transaction(self, transaction):
        self.unconfirmed_transactions.append(transaction)
    def mine(self):
        if not self.unconfirmed_transactions:
            return False
        last_block = self.last_block
        new_block = Block(index=last_block.index + 1,
                          transactions=self.unconfirmed_transactions,
                          timestamp=time.time(),
                          previous_hash=last_block.hash)
        proof = self.proof_of_work(new_block)
        self.add_block(new_block, proof)
        self.unconfirmed_transactions = []
        return new_block.index

API

Чтобы использовать наш блокчейн, нужно будет создать интерфейс, с которым смогут взаимодействовать несколько пользователей или узлов. Для этого используем Flask.

from flask import Flask, request
import requests
app = Flask(__name__)
blockchain = Blockchain()

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.

@app.route('/chain', methods=['GET'])
def get_chain():
    chain_data = []
    for block in blockchain.chain:
        chain_data.append(block.__dict__)
    return json.dumps({"length": len(chain_data),
                       "chain": chain_data})
app.run(debug=True, port=5000)

Проверяем

Запускаем наш блокчейн из каталога

$ python3 blockchain.py

Вывод должен быть похож на это:

Открываем соседнее окно и запускаем:

$ curl  http://127.0.0.1:5000/chain

Получаем

Работает, что и требовалось доказать.

Резюме

Мы привели максимально упрощенный пример реализации блокчейн на Python, который позволяет наглядно разобрать принципы этой технологии и ознакомиться с основными инструментами. Полную версию использованного в статье кода можно взять на Gitlab.

Еще один интересный вариант доступен в статье «Реализуем свой Bitcoin на Python».