python区块链持久化和命令行接口实现简版

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

到目前为止，我们已经构建了一个有工作量证明机制的区块链。有了工作量证明，挖矿也就有了着落。虽然目前距离一个有着完整功能的区块链越来越近了，但是它仍然缺少了一些重要的特性。在今天的内容中，我们会将区块链持久化到一个数据库中，然后会提供一个简单的命令行接口，用来完成一些与区块链的交互操作。本质上，区块链是一个分布式数据库，不过，我们暂时先忽略 “分布式” 这个部分，仅专注于 “存储” 这一点。

选择数据库

目前，我们的区块链实现里面并没有用到数据库，而是在每次运行程序时，简单地将区块链存储在内存中。那么一旦程序退出，所有的内容就都消失了。我们没有办法再次使用这条链，也没有办法与其他人共享，所以我们需要把它存储到磁盘上。

那么，我们要用哪个数据库呢？实际上，任何一个数据库都可以。在 比特币原始论文 中，并没有提到要使用哪一个具体的数据库，它完全取决于开发者如何选择。 Bitcoin Core ，最初由中本聪发布，现在是比特币的一个参考实现，它使用的是 LevelDB。而我们将要使用的是…

couchdb

因为它:

• 简单易用
• 有一个web的UI界面，方便我们查看
• 丰富的查询支持
• 良好的python支持

couchdb的安装

直接安装，参考https://www.jb51.net/article/202914.htm

docker版couchdb安装，使用docker-compose安装couchdb

# couchdb.yaml
version: '2'
services:
  couchdb:
    image: hyperledger/fabric-couchdb
    ports:
    - 5984:5984

执行docker-compose -f couchdb.yaml up -d即可安装。
使用http://ip:5984/_utils即可访问couchdb的后台管理系统。

数据库结构

在开始实现持久化的逻辑之前，我们首先需要决定到底要如何在数据库中进行存储。为此，我们可以参考 Bitcoin Core 的做法：

简单来说，Bitcoin Core 使用两个 “bucket” 来存储数据：

• 其中一个 bucket 是 blocks，它存储了描述一条链中所有块的元数据
• 另一个 bucket 是 chainstate，存储了一条链的状态，也就是当前所有的未花费的交易输出，和一些元数据

此外，出于性能的考虑，Bitcoin Core 将每个区块（block）存储为磁盘上的不同文件。如此一来，就不需要仅仅为了读取一个单一的块而将所有（或者部分）的块都加载到内存中。而我们直接使用couchdb。

在 blocks 中，key -> value 为：

在 chainstate，key -> value 为：

详情可见 这里。

因为目前还没有交易，所以我们只需要 blocks bucket。另外，正如上面提到的，我们会将整个数据库存储为单个文件，而不是将区块存储在不同的文件中。所以，我们也不会需要文件编号（file number）相关的东西。最终，我们会用到的键值对有：

• 32 字节的 block-hash(转换为16进制字符串) -> block 结构
• l -> 链中最后一个块的 hash(转换为16进制字符串)

这就是实现持久化机制所有需要了解的内容了。

序列化

为了方便我们查看，这里我们不直接使用二进制数据，而将其转换为16进制字符串。所以我们需要对区块内容进行序列化。

让我们来实现 Block 的 Serialize 方法：

    # class Block
    def serialize(self):
        return {
            "magic_no": self._magic_no,
            "block_header": self._block_header.serialize(),
            "transactions": self._transactions
        }

直接返回我们需要的数据构成的字典即可，而block_header则需要进一步序列化。它的序列化同样也只需要返回具体的数据字典即可，如下:

    # class BlockHeader
    def serialize(self):
        return self.__dict__

反序列化则是把信息转换为区块对象。

# class Block
    @classmethod
    def deserialize(cls, data):
        block_header_dict = data['block_header']
        block_header = BlockHeader.deserialize(block_header_dict)
        transactions = data["transactions"]
        return cls(block_header, transactions)

首先反序列化块，然后构造成一个对象,反序列化Header:

# class BlockHeader
    @classmethod
    def deserialize(cls, data):
        timestamp = data.get('timestamp', '')
        prev_block_hash = data.get('pre_block_hash', '')
        # hash = data.get('hash', '')
        hash_merkle_root = data.get('hash_merkle_root', '')
        height = data.get('height', '')
        nonce = data.get('nonce', '')
        block_header = cls(hash_merkle_root, height, prev_block_hash)
        block_header.timestamp = timestamp
        block_header.nonce = nonce
        return block_header

持久化

持久化要做的事情就是把区块数据写入到数据库中，则我们要做的事情有:

• 检查数据库是否已经有了一个区块链
• 如果没有则创建一个，创建创世块并将l指向这个块的哈希
• 添加一个区块，将l指向新添加的区块哈希

创建创世块如下:

# class BlockChain:
    def new_genesis_block(self):
        if 'l' not in self.db:
            genesis_block = Block.new_genesis_block('genesis_block')
            genesis_block.set_header_hash()
            self.db.create(genesis_block.block_header.hash, genesis_block.serialize())
            self.set_last_hash(genesis_block.block_header.hash)

添加一个区块如下:

    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)
        block = Block(block_header, transactions)
        block.mine()
        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)

对couchdb的操作的简单封装如下：

class DB(Singleton):
    def __init__(self, db_server_url, db_name='block_chain'):
        self._db_server_url = db_server_url
        self._server = couchdb.Server(self._db_server_url)
        self._db_name = db_name
        self._db = None
    @property
    def db(self):
        if not self._db:
            try:
                self._db = self._server[self._db_name]
            except couchdb.ResourceNotFound:
                self._db = self._server.create(self._db_name)
        return self._db
    def create(self, id, data):
        self.db[id] = data
        return id
    def __getattr__(self, name):
        return getattr(self.db, name)
    def __contains__(self, name):
        return self.db.__contains__(name)
    def __getitem__(self, key):
        return self.db[key]
    def __setitem__(self, key, value):
        self.db[key] = value

区块链迭代器

由于我们现在使用了数据库存储，不再是数组，那么我们便失去了迭代打印区块链的特性，我们需要重写__getitem__以获得该特性,实现如下:

# class BlockChain(object):
    def __getitem__(self, index):
        last_block = self.get_last_block()
        height = last_block.block_header.height
        if index <= height:
            return self.get_block_by_height(index)
        else:
            raise IndexError('Index is out of range')

# class BlockChain(object):
    def get_block_by_height(self, height):
        """
        Get a block by height
        """
        query = {"selector": {"block_header": {"height": height}}}
        docs = self.db.find(query)
        block = Block(None, None)
        for doc in docs:
            block.deserialize(doc)
            break
        return block

根据区块高度获取对应的区块，此处是利用了couchdb的mongo_query的富查询来实现。

CLI

到目前为止，我们的实现还没有提供一个与程序交互的接口。是时候加上交互了:
这里我们使用argparse来解析参数:

def new_parser():
    parser = argparse.ArgumentParser()
    sub_parser = parser.add_subparsers(help='commands')
    # A print command
    print_parser = sub_parser.add_parser(
        'print', help='Print all the blocks of the blockchain')
    print_parser.add_argument('--print', dest='print', action='store_true')
    # A add command
    add_parser = sub_parser.add_parser(
        'addblock', help='Print all the blocks of the blockchain')
    add_parser.add_argument(
        '--data', type=str, dest='add_data', help='block data')
    return parser
def print_chain(bc):
    for block in bc:
        print(block)
def add_block(bc, data):
    bc.add_block(data)
    print("Success!")
def main():
    parser = new_parser()
    args = parser.parse_args()
    bc = BlockChain()
    if hasattr(args, 'print'):
        print_chain(bc)
    if hasattr(args, 'add_data'):
        add_block(bc, args.add_data)
if __name__ == "__main__":
    main()

测试一下

# 创世块创建
$python3 main.py
Mining a new block
Found nonce == 19ash_hex == 047f213bcb01f1ffbcdfafad57ffeead0e86924cf439594020da47ff2508291c
<Document 'l'@'191-2f44a1493638684d9e000d8dd105192a' {'hash': 'e4f7adac65bcbb304af21be52a1b52bb28c0205a3746d63453d9e8c182de927a'}>
Mining a new block
Found nonce == 1ash_hex == 0df1ac18c84a8e524d6fe49cb04aae9af02dd85addc4ab21ac13f9d0d7ffe769
<Document 'l'@'192-168ff7ea493ca53c66690985deb5b7ac' {'hash': '01015004e21d394b1a6574eb81896e1c800f18aa22997e96b79bca22f7821a67'}>
Block(_block_header=BlockHeader(timestamp='1551317137.2814202', hash_merkle_root='', prev_block_hash='', hash='f20f3c74c831d03aaa2291af23e607896a61809b5ced222483b46795a456a1c5', nonce=None, height=0))
Block(_block_header=BlockHeader(timestamp='1551317137.358466', hash_merkle_root='', prev_block_hash='f20f3c74c831d03aaa2291af23e607896a61809b5ced222483b46795a456a1c5', hash='e4f7adac65bcbb304af21be52a1b52bb28c0205a3746d63453d9e8c182de927a', nonce=19, height=1))
Block(_block_header=BlockHeader(timestamp='1551317137.4621542', hash_merkle_root='', prev_block_hash='e4f7adac65bcbb304af21be52a1b52bb28c0205a3746d63453d9e8c182de927a', hash='01015004e21d394b1a6574eb81896e1c800f18aa22997e96b79bca22f7821a67', nonce=1, height=2))

$python3 cli.py addblock --data datas
Mining a new block
Found nonce == 6ash_hex == 0864df4bfbb2fd115eeacfe9ff4d5813754198ba261c469000c29b74a1b391c5
<Document 'l'@'193-92e02b894d09dcd64f8284f141775920' {'hash': '462ac519b6050acaa78e1be8c2c8de298b713a2e138d7139fc882f7ae58dcc88'}>
Success!

一切正常工作。

参考：
[1] persistence-and-cli

[2] 完整实现源码

以上就是python区块链持久化和命令行接口实现简版的详细内容，更多关于区块链持久化命令行接口的资料请关注猪先飞其它相关文章！