比特币挖矿算法python,

2022-08-27 19:01:39 分类：python 阅读()

　　比特币挖矿算法python,

　　本文主要介绍了一个python区块链简单版交易完美挖掘奖励的例子。有需要的朋友可以借鉴一下，希望能有所帮助。祝大家进步很大，早日升职加薪。

　　00-1010描述介绍奖励UTXO集Merkle树P2PKH摘要

　　

目录

　　本文根据https://github.com/liuchengxu/blockchain-tutorial,的内容用python实现，但根据个人理解做了一些修改，并引用了大量原文。文章的最后是“本节中完整源代码实现的地址”。

　　

说明

　　在本系列文章的开始，我们提到区块链是一个分布式数据库。但是，在上一篇文章中，我们有选择地跳过了“分布式”部分，而将重点放在了“数据库”部分。到目前为止，我们已经实现了区块链数据库的几乎所有元素。今天我们就来分析一些之前跳过的机制。而在下一篇文章中，我们将开始讨论区块链的分布特征。

　　

引言

　　上一篇文章，我们跳过的一个小细节是挖矿的奖励。现在，我们可以完善这个细节。

　　采矿奖励实际上是一个coinbase交易。当一个挖掘节点开始挖掘一个新的块时，它会将事务从队列中取出，并将一个coinbase事务附加到前面。比特币基地事务只有一个输出，它包含矿工公钥的散列。

　　奖励，很简单，更新发送即可：

　　def add_block(自身，交易):

　　向block_chain添加块

　　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)

　　#奖励钱包[0]

　　钱包=钱包()

　　keys=list(wallets.wallets.keys())

　　w=wallets[keys[0]]

　　coin_base_tx=self.coin_base_tx(带地址)

　　transactions.insert(0，coin_base_tx)

　　block=Block(block_header，事务)

　　block.mine(自己)

　　block.set_header_hash()

　　self . db . create(block . block _ header . hash，block.serialize())

　　last _ hash=block . block _ header . hash

　　self.set_last_hash(最后一个散列)

　　utxo=UTXOSet()

　　utxo.update(块)

　　奖励当前钱包的第一个地址。

　　

奖励

　　在第3:部分持久性和命令行界面中，我们研究了比特币核心如何在数据库中存储块，了解到块存储在块数据库中，交易输出存储在链状态数据库中。将回顾链状态的组织：

　　C 32字节事务散列-该事务未使用的事务输出记录。

　　32字节块散列-不花费事务输出的块散列。

　　在上一篇文章中，虽然我们已经实现了事务，但是我们没有使用chainstate来存储事务的输出。所以，让我们继续完成这一部分。

　　Chainstate不存储事务。它存储UTXO集，即未使用的事务输出集。此外，它还存储“数据库表示的未使用的事务输出的块哈希”，但我们将暂时跳过块哈希，因为我们还没有使用块高度(但我们将在下一篇文章中继续改进)。

　　那么，我们为什么需要UTXO集呢？

　　想想我们早期的区块链实现。_ find _ unfinished _ trans。

　　actions 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
　　<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：

　　步骤栈脚本说明1空5 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空遇到操作符 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：

　　步骤栈脚本1空<signature> <pubKey> OP_DUP OP_HASH160 <pubKeyHash> OP_EQUALVERIFY OP_CHECKSIG2<signature><pubKey> OP_DUP OP_HASH160 <pubKeyHash> OP_EQUALVERIFY OP_CHECKSIG3<signature> <pubkey>OP_DUP OP_HASH160 <pubKeyHash> OP_EQUALVERIFY OP_CHECKSIG4<signature> <pubKey> <pubKey>OP_HASH160 <pubKeyHash> OP_EQUALVERIFY OP_CHECKSIG5<signature> <pubKey> <pubKeyHash><pubKeyHash> OP_EQUALVERIFY OP_CHECKSIG6<signature> <pubKey> <pubKeyHash> <pubKeyHash>OP_EQUALVERIFY OP_CHECKSIG7<signature> <pubKey>OP_CHECKSIG8true 或 false空

　　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盛行IT软件开发工作室其它相关文章！

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标签： python

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