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python区块链简易版交易完善挖矿奖励示例_python_

2023-05-26 441人已围观

简介 python区块链简易版交易完善挖矿奖励示例_python_

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

在上一篇文章中，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：

Blockchain._find_unspent_transactions - 找到有未花费输出交易的主要函数。也是在这个函数里面会对所有区块进行迭代。
Blockchain._find_spendable_outputs - 这个函数用于当一个新的交易创建的时候。如果找到有所需数量的输出。使用 Blockchain._find_unspent_transactions.
Blockchain.find_UTXO - 找到一个公钥哈希的未花费输出，然后用来获取余额。使用 Blockchain._find_unspent_transactions.
Blockchain.FindTransation - 根据 ID 在区块链中找到一笔交易。它会在所有块上进行迭代直到找到它。

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：

Blockchain.find_UTXO - 通过对区块进行迭代找到所有未花费输出。
UTXOSet.reindex - 使用 UTXO 找到未花费输出，然后在数据库中进行存储。这里就是缓存的地方。
UTXOSet._find_spendable_outputs - 类似 Blockchain._find_spendable_outputs，但是使用 UTXO 集。
UTXOSet.find_UTXO - 类似 Blockchain.find_UTXO，但是使用 UTXO 集。
Blockchain.find_transaction 跟之前一样。

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  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：

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