あにまるブログ

ブロックチェーン（簡易版）を Python で実装（後半）

いろいろバタバタしてて、だいぶ遅れてしましましたが、後半いきまっす♪
今回の記事は、zenn ブログ、
「ブロックチェーン（簡易版：Python）の実装（後半）」
https://zenn.dev/animalz/articles/928dd981c2d1a5
と、ほぼ同じ内容になります。

今回やること

1. マイニング
2. ブロックチェーン検証
3. 実行
4. 参考文献など
5. 今回のコード

1. マイニング

import hashlib
from typing import Any

POW_ZEROS = 3 

def make_hash_str(data: Any) -> str:
    """ return: hash_str(len: 64) """
    hash_str = hashlib.sha256(json.dumps(data).encode('utf-8')).hexdigest()
    return hash_str

def make_first_block_chain() -> list:
    """ 
    最初のブロックチェーンを作る
    return: block list
    block: dict(keys=['time', 'transactions', 'hash', 'nonce'])
    """
    first_block_chain = [
        {
            'time': datetime.now().isoformat(),
            'transactions': [],
            'hash': 'mikoto_project',
            'nonce': 0, 
        }
    ]
    return first_block_chain

def proof_of_work(block: dict) -> dict:
    """ 
    ハッシュ値の最初の POW_ZEORS 文字を0にする nonce を算出する
    """
    while not make_hash_str(block).startswith('0'*POW_ZEROS):
        block['nonce'] += 1
    print('proof_of_work hash:', make_hash_str(block))
    return block

def mining(transaction_pool: list, block_chain: list, miner_public_key_str: str, MIK: int) -> list:
    """
    マイニングする
    1. verified_transactions: 重複チェック
    2. verify_transaction: 検証
    3. make_mikoto_trasaction: MIK 発行（報酬）
    4. proof_of_work: nonce 算出
    """
    verified_transactions = []
    copy_transaction_pool = transaction_pool.copy() # 検証前
    for block in block_chain:
        verified_transactions += block['transactions']
    for transaction in copy_transaction_pool:
        # 1. 重複チェック
        if transaction in verified_transactions:
            copy_transaction_pool.remove(transaction)
            continue
        # 2. 検証
        if transaction['sender'] != 'mikoto_project':
            if not verify_transaction(transaction):
                copy_transaction_pool.remove(transaction)
    # 3. MIK 発行
    mikoto_transaction = make_mikoto_trasaction(miner_public_key_str, MIK)
    copy_transaction_pool.append(mikoto_transaction)
    # 前ブロックのハッシュ値
    previous_block_hash_str = make_hash_str(block_chain[-1])
    new_block = {
        'transactions': copy_transaction_pool,
        'hash': previous_block_hash_str,
        'nonce': 0
    }
    # 4. nonce 算出（proof_of_work, POW）
    new_block = proof_of_work(new_block)
    new_block['time'] = datetime.now().isoformat()
    keys = ['time', 'transactions', 'hash', 'nonce']
    sorted_new_block = {key: new_block[key] for key in keys}
    return sorted_new_block

2. ブロックチェーン検証

def verify_block_chain(block_chain: list) -> bool:
    """
    ブロックチェーンを検証する
    1. ハッシュ値確認
    2. proof_of_work 確認
    3. トランザクション検証
    4. 検証済みとの重複確認
    5. 新ブロック内での重複確認
    print: False 時の理由
    """
    # 1. 前ブロックのハッシュ値の確認
    if make_hash_str(block_chain[-2]) != block_chain[-1]['hash']:
        print('hash_str invalid')
        return False
    # 2. proof_of_work 確認
    copy_new_block = block_chain[-1].copy()
    copy_new_block.pop('time')
    if not make_hash_str(copy_new_block).startswith('0'*POW_ZEROS):
        print('proof_of_work invalid')
        return False
    # 3. トランザクション検証
    new_block_transactions = block_chain[-1]['transactions']
    for transaction in new_block_transactions:
        if transaction['sender'] != 'mikoto_project':
            if not verify_transaction(transaction):
                print('transaction invalid')
                print(transaction)
                return False
    # 4. 検証済みとの重複確認(今回は最初のブロックのみなので空)
    verified_transactions = []
    for block in block_chain[:-1]:
        verified_transactions += block['transactions']
    for transaction in new_block_transactions:
        if transaction in verified_transactions:
            print('duplicates invalid')
            return False
    # 5. 新ブロック内での重複確認（signature で確認）
    signature_list = []
    for transaction in new_block_transactions:
        if transaction['sender'] != 'mikoto_project':
            signature_list.append(transaction['signature'])
    if len(signature_list) != len(set(signature_list)):
        print('new_block duplicates invalid')
        return False
    return True

3. 実行

（前半は前回と重複してます）

if __name__ == "__main__":
    # ユーザー情報の辞書を作成
    name_list = ['Dog', 'Cat', 'Lion']
    user_info_dict = {}
    for name in name_list:
        user_info_dict[name] = make_key_data()

    transaction_pool = []
    # mikoto_project -> Dog: 100MIK
    transaction_pool.append(
        make_mikoto_trasaction(user_info_dict['Dog']['public_key_str'], 100)
    )
    # Dog -> Cat: 10MIK, Dog -> Lion: 20MIK
    transaction_pool.append(
        make_thanks_transaction(
            user_info_dict['Dog']['secret_key_str'],
            user_info_dict['Dog']['public_key_str'],
            user_info_dict['Cat']['public_key_str'],
            10
        )
    )
    transaction_pool.append(
        make_thanks_transaction(
            user_info_dict['Dog']['secret_key_str'],
            user_info_dict['Dog']['public_key_str'],
            user_info_dict['Lion']['public_key_str'],
            20
        )
    )
    # print('トランザクション・プール')
    # pprint.pprint(transaction_pool, sort_dicts=False)

    for transaction in transaction_pool:
        # 発行したものは検証しない
        if transaction["sender"] == "mikoto_project":
            continue
        else:
            # 検証結果を表示
            # print(verify_transaction(transaction))
            pass

    block_chain = make_first_block_chain()
    # print(block_chain)
    sorted_new_block = mining(transaction_pool, block_chain, user_info_dict['Dog']['public_key_str'], 100)
    print('sorted_new_block:')
    pprint.pprint(sorted_new_block, sort_dicts=False)

    block_chain.append(sorted_new_block)

    print(verify_block_chain(block_chain))

4. 参考文献など

Satoshi Nakamoto (2008), ビットコイン：P2P 電子通貨システム, https://bitcoin.org/files/bitcoin-paper/bitcoin_jp.pdf, 論文
モヤっとデータサイエンティスト (2022), 『Python によるブロックチェーン開発教本』, 電子書籍
安田恒 (2023), 『ブロックチェーンを作る！』, 秀和システム, 書籍

5. 今回のコード

GitHub: https://github.com/Animalyzm/mikoto_project
今回のコードは、block_chain.py です。

通信などがないので、かなり簡易版ですが、2回にわたりブロックチェーンの実装について書かせていただきました！
どうもありがとうございましたー♪