python 区块链,简易区块链系统python

　　本文主要为大家介绍python区块链地址的短版实现。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。

说明

　　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”。

引言

　　在上一篇文章中，我们已经初步实现了交易。我相信你应该知道交易中的一些自然属性，这些属性没有丝毫的“个人”色彩：在比特币中，没有用户账户，个人数据(如姓名、护照号码或SSN)无需存储在任何地方。但是，总要有某种方法来确定你是交易输出的所有者(也就是说，你拥有锁定在这些输出上的货币)。这就是比特币地址需要完成的事情。在上一篇文章中，我们将用户定义的任意字符串作为地址。现在我们要实现像比特币一样的真实地址。

比特币地址

　　这是一个真实的比特币地址：1a 1 ZP 1 EP 5 qgefi 2 DMP TTL 5s lm V7 div FNA。这是历史上第一个比特币地址，据说属于中本聪。比特币地址是完全公开的。如果你想给某人寄钱，你只需要知道他的地址。然而，地址(虽然是唯一的)不是证明你是“钱包”主人的令牌。其实所谓的地址只是一种人类可读形式的公钥，因为原生公钥是人类难以读取的。在比特币中，你的身份是一对(或多对)公钥和私钥，存储在你的电脑上(或者你能得到的地方)。比特币基于一些加密算法的组合来创建这些密钥，并确保世界上没有其他人可以拿走你的硬币，除非他们得到你的密钥。现在，我们来讨论一下这些算法是什么。

公钥加密

　　公钥加密算法使用成对的密钥：公钥和私钥。公钥不是敏感信息，可以告诉其他人。但是，绝对不能把私钥告诉别人：只有主人才能知道私钥，能够识别、认证、证明主人身份的就是私钥。在加密货币的世界里，你的私钥代表你，私钥就是一切。

　　本质上，比特币钱包就是这样一对钥匙。当您安装钱包应用程序或使用比特币客户端生成新地址时，它会为您生成一对密钥。在比特币中，谁拥有私钥，谁就可以控制发送到这个公钥的所有硬币。

　　私钥和公钥只是随机的字节序列，所以无法打印在屏幕上，人眼无法读取。这就是为什么比特币使用转换算法将公钥转换成人类可读的字符串(也就是我们看到的地址)。

　　如果你使用过比特币钱包应用程序，它很可能会为你生成一个助记符。这样的助记符可以用来代替私钥，也可以用来生成私钥。BIP-039已经实现了这个机制。

　　好了，现在我们知道了，在比特币中证明用户身份的是私钥。那么，比特币是如何检查交易输出(以及存储在其中的钱)的所有权的呢？

数字签名

　　在数学和密码学中，有一个数字签名的概念，算法可以保证：

　　当数据从发送方传输到接收方时，数据不会被修改；数据是由某个发送者创建的；发送者不能否认数据已经被发送的事实。通过对数据应用一个签名算法(也就是对数据进行签名)，就可以得到一个签名，这个签名后面会进行验证。生成数字签名需要私钥，而验证签名需要公钥。签名有点像印章。比如我做了一幅画，盖上印章，就说明这幅画是我的作品。为数据生成签名就是给数据加戳。

　　为了签署数据，我们需要以下两样东西：

　　要签名的数据的私钥可以通过应用签名算法生成一个签名，这个签名将被存储在事务输入中。为了验证签名，我们需要以下三样东西：

　　简单来说，验证过程可以描述为：检查签名是通过在已签名的数据上加上私钥得到的，而公钥恰好是由私钥生成的。

　　签名未加密，您无法从签名中重建数据。这有点像哈希：您对数据运行哈希算法，并获得该数据的唯一表示。签名和散列的区别在于密钥对：有了密钥对，签名验证就成为可能。但是密钥对也可以用于加密数据：私钥用于加密，公钥用于解密。但是，比特币不使用加密算法。

　　在比特币中，每一笔交易输入都由创建交易的人签名。在放入块中之前，每个事务都必须经过验证。除了一些其他步骤之外，验证还意味着：

　　检查事务输入有权使用以前事务的输出来检查事务签名是否正确。

　　如图，对数据进行签名和对签名进行验证的过程大致如下：

　　现在来回顾一个交易完整的生命周期：

起初，创世块里面包含了一个 coinbase 交易。在 coinbase 交易中，没有输入，所以也就不需要签名。coinbase 交易的输出包含了一个哈希过的公钥（使用的是
RIPEMD16(SHA256(PubKey)) 算法）
当一个人发送币时，就会创建一笔交易。这笔交易的输入会引用之前交易的输出。每个输入会存储一个公钥（没有被哈希）和整个交易的一个签名。
比特币网络中接收到交易的其他节点会对该交易进行验证。除了一些其他事情，他们还会检查：在一个输入中，公钥哈希与所引用的输出哈希相匹配（这保证了发送方只能花费属于自己的币）；签名是正确的（这保证了交易是由币的实际拥有者所创建）。
当一个矿工准备挖一个新块时，他会将交易放到块中，然后开始挖矿。
当新块被挖出来以后，网络中的所有其他节点会接收到一条消息，告诉其他人这个块已经被挖出并被加入到区块链。
当一个块被加入到区块链以后，交易就算完成，它的输出就可以在新的交易中被引用。

椭圆曲线加密

　　正如之前提到的，公钥和私钥是随机的字节序列。私钥能够用于证明持币人的身份，需要有一个条件：随机算法必须生成真正随机的字节。因为没有人会想要生成一个私钥，而这个私钥意外地也被别人所有。

　　比特币使用椭圆曲线来产生私钥。椭圆曲线是一个复杂的数学概念，我们并不打算在这里作太多解释（如果你真的十分好奇，可以查看这篇文章，注意：有很多数学公式！）我们只要知道这些曲线可以生成非常大的随机数就够了。在比特币中使用的曲线可以随机选取在 0 与 2 ^ 2 ^ 56（大概是 10^77, 而整个可见的宇宙中，原子数在 10^78 到 10^82 之间）的一个数。有如此高的一个上限，意味着几乎不可能发生有两次生成同一个私钥的事情。

　　比特币使用的是 ECDSA（Elliptic Curve Digital Signature Algorithm）算法来对交易进行签名，我们也会使用该算法。

Base58

　　回到上面提到的比特币地址：1A1zP1eP5QGefi2DMPTfTL5SLmv7DivfNa 。现在，我们已经知道了这是公钥用人类可读的形式表示而已。如果我们对它进行解码，就会看到公钥的本来面目（16 进制表示的字节）：

0062E907B15CBF27D5425399EBF6F0FB50EBB88F18C29B7D93

　　比特币使用 Base58 算法将公钥转换成人类可读的形式。这个算法跟著名的 Base64 很类似，区别在于它使用了更短的字母表：为了避免一些利用字母相似性的攻击，从字母表中移除了一些字母。也就是，没有这些符号：0(零)，O(大写的 o)，I(大写的i)，l(小写的 L)，因为这几个字母看着很像。另外，也没有 + 和 / 符号。

　　下图是从一个公钥获得一个地址的过程：

　　因此，上面提到的公钥解码后包含三个部分：

Version Public key hash Checksum

　　00 62E907B15CBF27D5425399EBF6F0FB50EBB88F18 C29B7D93

　　由于哈希函数是单向的（也就说无法逆转回去），所以不可能从一个哈希中提取公钥。不过通过执行哈希函数并进行哈希比较，我们可以检查一个公钥是否被用于哈希的生成。

　　好了，所有细节都已就绪，来写代码吧。很多概念只有当写代码的时候，才能理解地更透彻。

实现地址

　　我们先从钱包 Wallet 结构开始：

class Wallet(object):
　　 # hex version
　　 VERSION = b\0
　　 def __init__(self, private_key):
　　 self._private_key = private_key
　　 self._public_key = private_key.get_verifying_key()
　　 self._address = 
　　 @classmethod
　　 def generate_wallet(cls, curve=SECP256k1):
　　 """
　　 generate a wallet
　　 """
　　 sign_key = SigningKey.generate(curve=curve)
　　 return cls(sign_key)

　　一个钱包只有一个密钥对而已。我们需要 Wallets 类型来保存多个钱包的组合，将它们保存到文件中，或者从文件中进行加载。Wallet 的构造函数会生成一个新的密钥对。generate_wallet 函数非常直观：ECDSA 基于椭圆曲线，所以我们需要一个椭圆曲线。接下来，使用椭圆生成一个私钥。

@property
　　def address(self):
　　 if not self._address:
　　 prv_addr = self.VERSION + self._hash_public_key()
　　 self._address = base58.b58encode_check(prv_addr)
　　 return self._address

　　以上是地址的生成，使用base58的库来实现，通过pip install base58即可安装，我们也可以直接下载源码放在工程目录下使用。使用该库我们就不用重复造轮子了。

　　至此，就可以得到一个真实的比特币地址，你甚至可以在 blockchain.info 查看它的余额。不过我可以负责任地说，无论生成一个新的地址多少次，检查它的余额都是 0。这就是为什么选择一个合适的公钥加密算法是如此重要：考虑到私钥是随机数，生成同一个数字的概率必须是尽可能地低。理想情况下，必须是低到永远不会重复。

　　另外，注意：你并不需要连接到一个比特币节点来获得一个地址。地址生成算法使用的多种开源算法可以通过很多编程语言和库实现。

　　注意，现在我们已经不再需要 script_pub_key 和 script_sig 字段，因为我们不会实现一个脚本语言。相反，script_sig 会被分为 signature 和 pub_key 字段，script_pub_key 被重命名为 PubKeyHash。我们会实现跟比特币里一样的输出锁定/解锁和输入签名逻辑，不同的是我们会通过方法（method）来实现。

　　use_key 方法检查输入使用了指定密钥来解锁一个输出。注意到输入存储的是原生的公钥（也就是没有被哈希的公钥），但是这个函数要求的是哈希后的公钥。is_locked_with_key 检查是否提供的公钥哈希被用于锁定输出。这是一个 use_key 的辅助函数，并且它们都被用于 find_unspent_transactions 来形成交易之间的联系。

　　lock 只是简单地锁定了一个输出。当我们给某个人发送币时，我们只知道他的地址，因为这个函数使用一个地址作为唯一的参数。然后，地址会被解码，从中提取出公钥哈希并保存在 pub_key_hash 字段。

实现签名

　　交易必须被签名，因为这是比特币里面保证发送方不会花费属于其他人的币的唯一方式。如果一个签名是无效的，那么这笔交易就会被认为是无效的，因此，这笔交易也就无法被加到区块链中。

　　我们现在离实现交易签名还差一件事情：用于签名的数据。一笔交易的哪些部分需要签名？又或者说，要对完整的交易进行签名？选择签名的数据相当重要。因为用于签名的这个数据，必须要包含能够唯一识别数据的信息。比如，如果仅仅对输出值进行签名并没有什么意义，因为签名不会考虑发送方和接收方。

　　考虑到交易解锁的是之前的输出，然后重新分配里面的价值，并锁定新的输出，那么必须要签名以下数据：

存储在已解锁输出的公钥哈希。它识别了一笔交易的发送方。
存储在新的锁定输出里面的公钥哈希。它识别了一笔交易的接收方。
新的输出值。

　　在比特币中，锁定/解锁逻辑被存储在脚本中，它们被分别存储在输入和输出的 script_sig 和 script_pub_key 字段。由于比特币允许这样不同类型的脚本，它对 script_pub_key 的整个内容进行了签名。

　　可以看到，我们不需要对存储在输入里面的公钥签名。因此，在比特币里，所签名的并不是一个交易，而是一个去除部分内容的输入副本，输入里面存储了被引用输出的 script_pub_key 。

　　获取修剪后的交易副本的详细过程在这里. 虽然它可能已经过时了，但是我并没有找到另一个更可靠的来源。

　　看着有点复杂，来开始写代码吧。先从 sign 方法开始：

def sign(self, priv_key, prev_txs):
　　 if self.is_coinbase():
　　 return
　　 tx_copy = self._trimmed_copy()
　　 for in_id, vin in enumerate(tx_copy.vins):
　　 prev_tx = prev_txs.get(vin.txid, None)
　　 if not prev_tx:
　　 raise ValueError(Previous transaction is error)
　　 tx_copy.vins[in_id].signature = None
　　 tx_copy.vins[in_id].pub_key = prev_tx.vouts[vin.vout].pub_key_hash
　　 tx_copy.set_id()
　　 tx_copy.vins[in_id].pub_key = None
　　 sk = ecdsa.SigningKey.from_string(
　　 binascii.a2b_hex(priv_key), curve=ecdsa.SECP256k1)
　　 sign = sk.sign(tx_copy.txid.encode())
　　 self.vins[in_id].signature = binascii.hexlify(sign).decode()

　　coinbase没有输入所以不需要签名。

tx_copy = self._trimmed_copy()

　　将会被签署的是修剪后的交易副本，而不是一个完整交易：

 def _trimmed_copy(self):
　　 inputs = []
　　 outputs = []
　　 for vin in self.vins:
　　 inputs.append(TXInput(vin.txid, vin.vout, None))
　　 for vout in self.vouts:
　　 outputs.append(TXOutput(vout.value, vout.pub_key_hash))
　　 tx = Transaction(inputs, outputs)
　　 tx.txid = self.txid
　　 return tx

　　接下来，我们会迭代副本中每一个输入：

for in_id, vin in enumerate(tx_copy.vins):
　　 prev_tx = prev_txs.get(vin.txid, None)
　　 if not prev_tx:
　　 raise ValueError(Previous transaction is error)
　　 tx_copy.vins[in_id].signature = None
　　 tx_copy.vins[in_id].pub_key = prev_tx.vouts[vin.vout].pub_key_hash

　　在每个输入中，signature 被设置为 None (仅仅是一个双重检验)，pub_key 被设置为所引用输出的 pub_key_hash。现在，除了当前交易，其他所有交易都是空的，也就是说他们的 signature 和 pub_key 字段被设置为 None。因此，输入是被分开签名的，尽管这对于我们的应用并不十分紧要，但是比特币允许交易包含引用了不同地址的输入。

tx_copy.set_id()
　　tx_copy.vins[in_id].pub_key = None

　　hash 方法对交易进行序列化，并使用 SHA-256 算法进行哈希。哈希后的结果就是我们要签名的数据。在获取完哈希，我们应该重置 pub_key 字段，以便于它不会影响后面的迭代。

　　现在，关键点：

sk = ecdsa.SigningKey.from_string(
　　 binascii.a2b_hex(priv_key), curve=ecdsa.SECP256k1)
　　sign = sk.sign(tx_copy.txid.encode())
　　self.vins[in_id].signature = binascii.hexlify(sign).decode()

　　我们通过 priv_key 对 tx_copy.txid 进行签名。一个 ECDSA 签名就是一对数字，我们对这对数字连接起来，并存储在输入的 signature 字段。
验证方法与签名是类似的：

def verify(self, prev_txs):
　　 tx_copy = self._trimmed_copy()
　　 for in_id, vin in enumerate(self.vins):
　　 prev_tx = prev_txs.get(vin.txid, None)
　　 if not prev_tx:
　　 raise ValueError(Previous transaction is error)
　　 tx_copy.vins[in_id].signature = None
　　 tx_copy.vins[in_id].pub_key = prev_tx.vouts[vin.vout].pub_key_hash
　　 tx_copy.set_id()
　　 tx_copy.vins[in_id].pub_key = None
　　 sign = binascii.unhexlify(self.vins[in_id].signature)
　　 vk = ecdsa.VerifyingKey.from_string(
　　 binascii.a2b_hex(vin.pub_key), curve=ecdsa.SECP256k1)
　　 if not vk.verify(sign, tx_copy.txid.encode()):
　　 return False
　　 return True

　　和上面类似，先进行副本的拷贝，然后置空signature,并重新计算id,然后再进行校验

sign = binascii.unhexlify(self.vins[in_id].signature)
　　vk = ecdsa.VerifyingKey.from_string(
　　 binascii.a2b_hex(vin.pub_key), curve=ecdsa.SECP256k1)
　　if not vk.verify(sign, tx_copy.txid.encode()):
　　 return False

　　如果校验失败就直接返回False。

　　在new_transaction方法中加入签名:

def new_transaction(self, from_addr, to_addr, amount):
　　 tx = Transaction(inputs, outputs)
　　 tx.set_id()
　　 self.sign_transaction(tx, from_wallet.private_key)
　　 return tx

def mine(self, bc):
　　 pow = ProofOfWork(self)
　　 for tx in self._transactions:
　　 if not bc.verify_transaction(tx):
　　 raise TransactionVerifyError(transaction verify error)
　　 try:
　　 nonce, _ = pow.run()
　　 except NonceNotFoundError as e:
　　 print(e)
　　 self._block_header.nonce = nonce

　　在挖矿方法mine加入交易参数校验。

　　测试：

$python3 cli.py createwallet
　　Your new address is 11oHh3J3jx4yjKppGjCXijVxxc6QZU8zr
　　$python3 cli.py printwallet
　　Wallet are:
　　LZTnHqJG4sSHXHY5Yx1gDqXv9LKc1586Pj
　　# 首先初始化
　　$python3 main.py
　　1HaccEKgfrng4Bkg9aqBkNKpqQUpVfk8tY 1wQMgVMac1oR9jDDUUBQncK9N1vuwXpoM
　　Mining a new block
　　Found nonce == 45ash_hex == 0467d7a2be1538feb4fa3b8e71f96a770406ca42e36e4190a6f3821266868d26
　　Block(_block_header=BlockHeader(timestamp=1551159892.7875812, hash_merkle_root=, prev_block_hash=, hash=de46120e80fc192d3c2b4f14cce2f45f92f17323200aefce970eb599122c6af0, nonce=None, height=0))
　　Block(_block_header=BlockHeader(timestamp=1551159893.1240094, hash_merkle_root=, prev_block_hash=, hash=5107a5e658671a652b3858c86f38753e6bcab2295715ceb97cae3411550b5fb8, nonce=45, height=1))
　　$python3 cli.py send --from 1HaccEKgfrng4Bkg9aqBkNKpqQUpVfk8tY --to 1wQMgVMac1oR9jDDUUBQncK9N1vuwXpoM --amount 10
　　Mining a new block
　　Found nonce == 5ash_hex == 0e9ed9e55ea570beeb7606acc626886fb75aa3830317790aa997f5363cf3e01a
　　send 10 from 1HaccEKgfrng4Bkg9aqBkNKpqQUpVfk8tY to 1wQMgVMac1oR9jDDUUBQncK9N1vuwXpoM

　　一切正常工作。

　　参考：

　　[1] address

　　[2] 本节完整实现源码

　　以上就是python区块链地址的简版实现的详细内容，更多关于python区块链地址的资料请关注盛行IT软件开发工作室其它相关文章！

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