آموزش قدم به قدم ساخت یک بلاک چین ساده با python

اگر شما اینجایید ، احتمالا مثل من مجنون ارزهای دیجیتال و بلاک چین هستید ، و می خواهید بدانید که سیستم بلاک چین چگونه کار می کند و تکنولوزی بنیادین پشت آن چیست.

اما فهم سیستم های بلاک چینی ساده نیست یا حداقل برای من اینطور نبود. من در فیلم های عمیقی ازهم پاشیدم، آموزش های مختلف زیادی را بررسی کردم و در مواجهه با مثال های اندک دچار ناامیدی زیادی نیز شدم.

من یادگیری را به همراه عمل دوست دارم. این کار مرا در مرحله کد مجبور به مواجهه با صورت مسئله می کند. اگر شما هم همین کار را انجام دهید در پایان این آموزش یک سیستم بلاک چین فعال دارید به علاوه درک صحیحی از نحوه عملکرد آن.

قبل از شروع….

یاد آور می شوم که بلاک چین یک زنجیره متوالی از رکورد های تغییرناپذیر است که بلاک (block) نامیده می شوند. محتویات این بلاک ها میتواند شامل اطلاعات معاملات یا فایل یا هرچیز دیگری که فکر میکنید یا می خواهید باشد. اما مهم ترین چیز این است که این بلاک ها بصورت متوالی و زنجیره وار با استفاده از هش (hash) به یکدیگر وصلند. اگر در مورد hash اطلاعات کافی ندارید می توانید به این لینک مراجعه کنید و توضیح مختصری درباره آن بخوانید.

این آموزش به درد چه کسی میخورد؟
شما باید به زبان python آشنایی داشته باشید بخصوص نحوه تعریف و استفاده از class ها، همچنین آشنایی با نحوه کار پروتکل http (مثلا چه نوع درخواست هایی مبتنی بر بستر http وجود دارد و چگونه کار میکنند) به دلیل اینکه ما با بلاک چین خودمان از طریق پروتکل http مکاتبه و تعامل خواهیم داشت.

برنامه ها وکتابخانه های پیش نیاز:
Python v3.6+
Flask
Requests
کد نهایی را از اینجا می توانید دانلود کنید.

گام اول: ساخت یک بلاک چین
نرم افزار ویرایش متن (text editor) یا IDE مورد علاقه خود را باز کنید. یک فایل جدید بنام “blockchain.py” ایجاد کنید . ما فقط از یک فایل استفاده خواهیم کرد. اما اگر چیزی را گم کردید یا از دست دادید میتوانید به سورس کد برنامه مراجعه کنید.

پیاده سازی یک بلاک چین
ما یک کلاس بنام “Blockchain” خواهیم ساخت که متد سازنده ( __init__ ) آن دو لیست خالی اولیه ایجاد می کند که یکی برای ذخیره زنجیره های بلاک هایمان استفاده می شود و دیگری برای ذخیره ی تراکنش ها. نمونه اولیه کد کلاس ما:

 

کلاس “Blockchain” ما برای مدیریت زنجیره، پاسخگو است. این کلاس تراکنش ها را ذخیره می کند و تعدادی متد های کمکی برای اضافه کردن بلاک های جدید به زنجیره دارد.

ساختار یک بلاک چه شکلی ست؟
هر بلاک شامل یک شماره (index)، یک برچسب زمانی در قالب سیستم زمانی یونیکس (unix timestamp)، یک لیستی از تراکنش ها (transactions)، یک پروف (proof) و در نهایت هش (hash) بلاک قبلی می باشد.

مثالی از کد بلاک مورد نظر ما :

 

در این نقطه ایده ی زنجیره باید آشکار باشد بدین صورت که هر بلاک، هش بلاک قبلی را در خود دارد. این مسله خیلی حیاتی ست چرا که همین عامل باعث تغییرناپذیریه سیستم بلاک چین می شود. اگر یک حمله کننده (attacker) یکی از بلاک های قبلی در زنجیره را دستکاری یا خراب کند متعاقبا هش همه بلاک های بعد از آن بلاک دستکاری شده، دیگر درست نخواهند بود.

آیا این روش معقول است؟ اگر نه کمی بیشتر وقت بگذارید و روی این موضوع فکر کنید. هسته ی ایده ی پشت بلاک چین همین خاصیت است.

اضافه کردن تراکنش ها به بلاک
ما به روشی نیازمندیم جهت اضافه کردن تراکنش ها به یک بلاک. انجام این کار به عهده ی متد “new_transaction” است:

 

بعد از اینکه متد “new_transaction” یک تراکنش را به لیست اضافه کرد شماره بلاکی که تراکنش به آن اضافه خواهد شد را برمی گرداند که همان بلاک بعدی می شود که باید استخراج (mine) شود. این کار برای موارد بعدی که شخصی تراکنشی ارسال می کند مفید خواهد بود.

ساخت بلاک های جدید
وقتی از روی کلاس “Blockchain” ما یک نمونه (instance) ایجاد شد، باید یک بلاک اولیه که آن را “genesis” یا “منشأ” می نامیم، درونش ایجاد کنیم. درواقع با بلاک اولیه بذردهی اش میکنیم. همچنین باید به بلاک اولیه مان یک پروف (proof) اضافه کنیم که نتیجه و جوابش همان نتیجه mine کردن می شود که به آن اثبات کار (proof of work) هم میگیوییم.

خوب ما کد ایجاد بلاک اولیه مان (genesis) را در متد سازنده ( __init__ ) کلاسمان خواهیم نوشت و علاوه بر آن متدهای دیگر را هم بنام های “new_block”، “new_transaction” و “hash” تکمیل خواهیم نمود:

 

ما تقریبا کد بلاک چینمان را تمام کردیم. اما در این نقطه شما باید از چگونگی ساخت بلاک ها، جعل و استخراج شدنشان در تعجب باشید.

درک الگوریتم اثبات کار (Proof of Work)
یک الگوریتم اثبات کار (PoW) مشخص می کند که چطور بلاک ها در بلاک چین ساخته یا استخراج می شوند. هدف PoW کشف عددی برای حل یک مسله است. این عدد توسط هر شخصی در شبکه می تواند تولید شود و به زبان محاسباتی باید پیدا کردنش سخت ولی تاییدش راحت باشد. هسته ی ایده ی پشت PoW همین است.

خوب برای درک PoW یک مثال ساده خواهیم زد:

بیایید فرض کنیم که انتهای هش یک عدد صحیح x ضربدر عدد صحیح دیگری بنام y باید به صفر ختم شود. بنابراین:

 

در بیت کوین الگوریتم PoW ، Hashcash نامیده می شود و این الگوریتم تفاوت چندانی با مثال ساده ی بالای ما ندارد. الگوریتم PoW ، باعث ایجاد مسابقه بین ماینرها می شود تا بتوانند بلاک جدید ایجاد کنند. به طور کلی میزان سختی الگوریتم براساس تعداد کاراکترهایی که در یک رشته جستجو می شوند مشخص می شود. سپس ماینرها بدلیل زحمتی که برای حل الگوریتم و بدست آوردن جواب کشیدند به عنوان جایزه یک ارز (coin) در قالب یک تراکنش دریافت می کنند.

شبکه هم به سادگی می تواند جوابی که بدست آورده اند را تایید یا رد کند.

پیاده سازی الگوریتم PoW پایه
بیایید یک الگوریتم مشابه برای بلاک چینمان ایجاد کنیم. روش کار ما مشابه روش مثال بالا خواهد بود:

یافتن عدد ‘p که وقتی در کنار عدد نتیجه پروف بلاک قبلی قرار گرفت و هش شد، ۴ عدد صفر در ابتدای هش جدید تولید شود

 

جهت تنظیم درجه ی سختی الگوریتم ما می توانیم تعداد صفرهای ایتدای هش تولیدی را تغییر دهیم. اما تعداد ۴ مناسب است. خودتان خواهید فهمید که اضافه کردن یک عدد صفر بیشتر به ابتدای نتیجه هش نهایی باعث ایجاد تفاوت زمانی بسیار زیادی نسبت به حالت قبلی جهت یافتن جواب می شود.
خوب کلاس ما تقریبا کامل است و ماهم آماده ایم که تعامل با آن را از طریق پروتکل http آغاز کنیم.

گام دوم: بلاک چین ما به عنوان یک API
ما میخواهیم که از فریمورک “Flask” استفاده کنیم. “Flask” یک فریمورک کوچکی ست جهت تسهیل در وصل شدن (map) آدرس های وب به توابع python. این فریمورک به ما اجازه می دهد تا با بلاک چینمان با استفاده از درخواست های مبتنی بر بستر پروتکل “http” ارتباط برقرار کنیم.

ما سه متد ایجاد خواهیم کرد:

/transactions/new : جهت ساخت یک تراکنش جدید و اضافه کردن آن به یک بلاک
/mine : برای این که به سرورمان بگوییم که یک بلاک جدید را استخراج (mine) کند
/chain : جهت برگرداندن لیست کامل بلاک های بلاک چین

اعمال تنظیمات Flask
سرور ما یک گره (node) را در شبکه بلاک چین تشکیل خواهد داد. کد این کار:

 

حال توضیحات مختصری شرح خواهیم داد در مورد این که در کد بالا چه چیزهایی اضافه کردیم:

خط ۱۵: یک نمونه سازی اولیه از گره مان انجام دادیم. حهت اطلاعات بیشتر در مورد Flask می توانید به این آدرس مراجعه کنید.
خط ۱۸: ایجاد یک نام تصادفی برای گره مان
خط ۲۱: نمونه سازی اولیه از روی کلاس “Blockchain”
خط ۲۴-۲۶: ساخت آدرس (URI) /mine که درخواست ها را در قالب GET دریافت می کند
خط ۲۸-۳۰: ساخت آدرس (URI) /transactions/new که درخواست ها را به صورت POST دریافت می کند، بدلیل این که اطلاعات (Data) به این آدرس ارسال خواهیم کرد
خط ۳۲-۳۸: ساخت آدرس (URI) /chain که کار آن بازگرداندن اطلاعات کامل بلاک چین به ما است
خط ۴۰-۴۱: سرور را بر روی پورت شماره ۵۰۰۰ راه اندازی می کند

گلوگاه (endpoint) تراکنش ها در سرور
ساختار درخواست برای یک تراکنش مانند شکل زیر است و این چیزی ست که یوزر به سرور ارسال خواهد کرد:

 

گلوگاه (endpoint) ماینینگ
بخش گلوگاه و آدرس ماینینگ جایی ست که اتفاقات عجیبی رخ می دهد و راحتم است. این بخش ۳ کار انجام می دهد:

محاسبه PoW
جایزه دادن به ماینر (ما) با اضافه کردن یک تراکنش و اعطای یک ارز (coin) به ما
ساختن بلاک جدید با اضافه کردن آن به زنجیره

 

توجه کنید که گیرنده بلاک استخراج شده (mine شده) آدرس گره ماست و بیشتر کارهایی که ما اینجا انجام دادیم فقط تعامل با متدهای کلاس Blockchain مان بود. خوب ما کارمان تمام شده و می توانیم ارتباط و تعامل با بلاک چین مان را آغاز کنیم.

گام سوم: برقراری ارتباط با بلاک چین مان
شما می توانید از cURL قدیمی یا نرم افزار Postman برای ارتباط با API مان از طریق شبکه استفاده کنید.

با این دستور سرورمان را اجرا می کنیم:

 

 

حال بیایید ایجاد یک تراکنش جدید را با ارسال درخواست از نوع POST به آدرس http://localhost:5000/transactions/new که در بدنه (body) آن اطلاعاتی با ساختار تراکنش مان وجود دارد را تست کنیم:

اگر شما از postman استفاده نمی کنید می توانید درخواست معادل را با استفاده از cURL ساخته و ارسال کنید:

 

من سرور را رستارت (restart) کردم و دو بلاک استخراج کردم و با بلاک جایزه ام باید تعداد بلاک ها ۳ تا شده باشد. حال بیایید این موضوع را با ارسال درخواست به آدرس http://localhost:5000/chain بررسی کنیم:

 

گام چهارم: اجماع و توافق
کار جالبی بود. ما در حال حاضر یک سیستم بلاک چین ساده داریم که تراکنش هایی را قبول می کند و به ما اجازه استخراج بلاک ها را می دهد. اما کل هدف سیستم های بلاک چین این است که نامتمرکز (decentralized) باشند و اگر نامتمرکز هستند چطور روی زمین ما مطمعن باشیم که همه آن ها یک زنجیره یکسان را نشان می دهند؟ این مورد را مشکلات اجماع (problem of Consensus) می نامند. به همین دلیل اگر ما بخواهیم که بیشتر از یک گره در شبکه داشته باشیم باید یک الگوریتم توافق پیاده سازی کنیم.

ثبت گره های جدید
قبل از این که بخواهیم الگوریتم اجماع را پیاده سازی کنیم باید روشی بیابیم که از طریق آن یک گره بتواند گره های همسایه اش را در شبکه شناسایی کند و بشناسد. هر گره در شبکه باید دفتری از اطلاعات (registry) گره های دیگر در شبکه را داشته باشد. پس ما گلوگاه های (endpoint) بیشتری برای این کار لازم داریم:

/nodes/register : جهت قبول کردن لیستی از گره های جدید در قالب مجموعه ای از URL ها
/nodes/resolve : جهت پیاده سازی الگوریتم اجماع که هرگونه تضاد و مغایرت را برطرف می کند تا به یک گره اطمینان دهد که زنجیره درست را دارد
خوب برای این کار باید متد آغازگر کلاس “Blockchain” را تغییر دهیم و متدی را ایجاد کنیم برای ثبت گره ها:

 

توجه کنید که ما از یک دستور set() جهت نگهداری لیست گره ها استفاده کرده ایم. این کار ارزان ترین روش است جهت اطمینان از این که اضافه شدن گره های جدید آگاهانه است به این معنی که دیگر مهم نیست که یک گره مشخص را چندبار به سیستم اضافه کرده ایم و آن گره دقیقا فقط یکبار ثبت می شود.

پیاده سازی الگوریتم اجماع
همان طور که اشاره شد، برخورد و تضاد زمانی رخ می دهد که زنجیره یک گره با زنجیره گره دیگر متفاوت باشد. جهت حل این مسله ما قانونی ایجاد می کنیم که براساس آن طولانی ترین زنجیره صحیح و بدون اشکال الویت دارد بر زنجیره های دیگر و معتبر است (longest valid chain is authoritative). با استفاده از این قانون ما به اجماع در بین گره های درون شبکه دست میابیم.

 

 

کار متد valid_chain() چک کردن اعتبار زنجیره است. بدین صورت که در تک تک بلاک های زنجیره دو مقدار هش و پروف آن بلاک را چک می کند.

کار متد resolve_conflicts() چک کردن گره های همسایه و دانلود و تایید زنجیره آن ها بوسیله متد بالاست. اگر یک زنجیره معتبر پیدا شود آن زنجیره که بلاک های بیشتری نسبت به زنجیره ما دارد بر روی زنجیره ما جایگزین می شود.

خوب حالا بیایید دو گلوگاه (endpoint) در api مان ایجاد کنیم. یکی برای اضافه کردن گره های همسایه و دیگری برای حل تضاد:

 

خوب حال شما می توانید این سیستم را روی یک رایانه دیگر راه اندازی کنید و گره های متفاوتی را ایجاد کنید یا اینکه سیستم را با استفاده از پورت های متفاوت بروی همین رایانه پردازش کنید. من یک گره دیگر روی رایانه فعلیم با شماره پورتی متفاوت ایجاد کردم و آن را با گره فعلیم ثبت نمودم. پس در حال حاضر من دو گره دارم:

http://localhost:5000 و http://localhost:5001

 

سپس تعدادی بلاک جدید را با دو گره استخراج نمودم تا مطمعن شوم که زنجیره طولانی تر شده. بعد از آن آدرس GET /nodes/resolve را روی گره اول، فراخوانی نمودم.

جایی که زنجیره براساس الگوریتم اجماع جایگزین می شود:

 

خوب کار تمام است. حالا بروید سراغ دوستانتان و با کمکشان سیستم بلاک چینتان را تست کنید.

من امیدوارم که این آموزش الهامی برای شما باشد جهت ساختن چیزی جدید. من از تولد ارزهای دیجیتال مسرورم چرا که معتقدم بلاک چین ها به سرعت سیستم فکری ما را درباره اقتصاد، دولت ها و ضبط اطلاعات تغییر خواهند داد.

منبع:ارز دیجیتال