파이썬으로 간단한 블록체인 만들기

블록체인은 블록이라고 불리는 것들이 암호기법을 통해 체인처럼 연결된 것 [1]을 말합니다.

 

흔히 아래와 같은 형태로 표현되는데요:

 

Abstract blockchain - Image from Author

 

위의 정의에서 '암호기법을 통해 연결된다'와 같은 부분들은 실제로 간단한 블록체인을 만들어보면 복잡한 설명이 필요없이 쉽게 이해가 됩니다. 이번 글에서는 파이썬으로 구현된 간단한(100줄 이내 ^^) 블록체인을 살펴보면서, 블록체인의 일반적인 구조를 알아보겠습니다:

 

• 블록체인 클래스 구조
• flask를 이용해 api로 제공하기

 

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블록체인 클래스 구조

먼저, Blockchain이라는 클래스는 아래와 같은 생성자로 만들어 볼 수 있습니다:

import datetime
import hashlib
import json


class Blockchain:
    
    def __init__(self):
        self.chain = []
        self.create_block(proof = 1, previous_hash = '0')
        
    def create_block(self, proof, previous_hash):
        block = {
            'index': len(self.chain) + 1,
            'timestamp': str(datetime.datetime.now()),
            'proof': proof,
            'previous_hash': previous_hash
        }
        self.chain.append(block)
        return block

 

chain이라는 인스턴스 변수에 리스트가 할당되고, create_block 메소드를 호출합니다. create_block은 json으로 구조화된 block을 생성하고 chain이라는 인스턴스 변수에 append 해주고 block을 리턴합니다. 생성자 __init__ 안에서 호출되는 self.create_block은 가장 처음 블록인 제네시스(genesis) 블록을 생성해주기 위해 proof = 1, previous_hash = '0'이라는 아규먼트를 사용합니다.

 

추가적으로 Block 클래스에는 아래와 같은 get_previous_block, proof_of_work, hash라는 메소드를 가집니다:

    def get_previous_block(self):
        return self.chain[-1]
    
    def proof_of_work(self, previous_proof):
        new_proof = 1
        check_proof = False
        
        while check_proof is False:
            hash_operation = hashlib.sha256(str(new_proof**2 - previous_proof**2).encode()).hexdigest()
            if hash_operation.startswith('0000'):
                check_proof = True
            else:
                new_proof += 1
                
        return new_proof
    
    def hash(self, block):
        encoded_block = json.dumps(block, sort_keys = True).encode()
        return hashlib.sha256(encoded_block).hexdigest()

 

각각 아래와 같은 기능을 수행하는데요:

 

• get_previous_block: chain 리스트에 있는 가장 마지막 블록을 리턴
• proof_of_work: 이전 proof 값을 받고 previous_proof와의 연산 해시 값이 특정 조건을 만족하는 new_proof를 찾아 리턴함
• hash: 딕셔너리 형태의 block을 받아서 json으로 dump하고 인코딩하여 해시값을 얻어 리턴함

 

위와 같은 클래스를 통해서 아래와 같이 블록을 채굴(mine)할 수 있습니다:

 

blockchain = Blockchain()
previous_block = blockchain.get_previous_block()
previous_proof = previous_block['proof']
proof = blockchain.proof_of_work(previous_proof)
previous_hash = blockchain.hash(previous_block)
block = blockchain.create_block(proof, previous_hash)
print(blockchain.chain)

#output
[{'index': 1,
  'timestamp': '2021-12-14 17:21:13.498696',
  'proof': 1,
  'previous_hash': '0'},
 {'index': 2,
  'timestamp': '2021-12-14 17:21:13.500686',
  'proof': 533,
  'previous_hash': '4fb3563bc622a0e4b3fea0f8c5b3eedd975e3d2f76825eedcb2bc7fbbf7163a8'}]

 

위의 상태를 이미지로 표현하면, 2개의 블록이 아래와 같은 형태로 연결되어 있다는 사실을 알 수 있습니다:

2 Blocks in a chain - Image from Author

 

이러한 블록체인이 규칙에 맞게 생성되어 있는지 확인하기 위해서는 아래의 is_valid_chain과 같은 메소드를 추가할 수 있습니다:

    def is_valid_chain(self, chain):
        previous_block = chain[0]
        block_index = 1
        
        while block_index < len(chain):
            block = chain[block_index]
            if block['previous_hash'] != self.hash(previous_block):
                return False
            
            previous_proof = previous_block['proof']
            proof = block['proof']
            hash_operation = hashlib.sha256(str(proof**2 - previous_proof**2).encode()).hexdigest()
            
            if not hash_operation.startswith('0000'):
                return False
            
            previous_block = block
            block_index += 1
            
        return True

 

검증 방식은 genesis block의 다음 블록부터 마지막 블록까지 

 

• previous_hash 값이 이전 블록의 hash값과 동일한지
• proof값이 previous_proof 값과 연산 후 해시 값 계산 시 특정 조건('0000'으로 시작)을 만족하는지

체크합니다.

 

 

 

flask를 이용해 api로 제공하기

flask를 이용해 위에서 만든 간단한 블록체인을 API로 제공할 수 있습니다.

 

from flask import Flask, jsonify

    
app = Flask(__name__)
app.config['JSONIFY_PRETTYPRINT_REGULAR'] = False
blockchain = Blockchain()

@app.route('/mine_block', methods = ['GET'])
def mine_block():
    previous_block = blockchain.get_previoous_block()
    previous_proof = previous_block['proof']
    proof = blockchain.proof_of_work(previous_proof)
    previous_hash = blockchain.hash(previous_block)
    block = blockchain.create_block(proof, previous_hash)
    responses = {
        'message': 'Congratulations, you just mined a block!',
        **block
    }
    return jsonify(responses), 200


@app.route('/get_chain', methods = ['GET'])
def get_chain():
    response = {
        'chain': blockchain.chain,
        'length': len(blockchain.chain)
    }
    return jsonify(response), 200


app.run(host = '0.0.0.0', port = 6000)

 

이후 Block 클래스와 flask API로 구성된 파일을 실행하고 Postman으로 호출하여 확인해 볼 수 있습니다.

 

 

GET /mine_block - Image from Author

 

GET /get_chain - Image from Author

최종 코드 [2]

#!/usr/bin/env python3
# -*- coding: utf-8 -*-

import datetime
import hashlib
import json
from flask import Flask, jsonify


class Blockchain:
    
    def __init__(self):
        self.chain = []
        self.create_block(proof = 1, previous_hash = '0')
        
    def create_block(self, proof, previous_hash):
        block = {
            'index': len(self.chain) + 1,
            'timestamp': str(datetime.datetime.now()),
            'proof': proof,
            'previous_hash': previous_hash
        }
        self.chain.append(block)
        return block
    
    def get_previous_block(self):
        return self.chain[-1]
    
    def proof_of_work(self, previous_proof):
        new_proof = 1
        check_proof = False
        
        while check_proof is False:
            hash_operation = hashlib.sha256(str(new_proof**2 - previous_proof**2).encode()).hexdigest()
            if hash_operation.startswith('0000'):
                check_proof = True
            else:
                new_proof += 1
                
        return new_proof
    
    def hash(self, block):
        encoded_block = json.dumps(block, sort_keys = True).encode()
        return hashlib.sha256(encoded_block).hexdigest()
    
    def is_valid_chain(self, chain):
        previous_block = chain[0]
        block_index = 1
        
        while block_index < len(chain):
            block = chain[block_index]
            if block['previous_hash'] != self.hash(previous_block):
                return False
            
            previous_proof = previous_block['proof']
            proof = block['proof']
            hash_operation = hashlib.sha256(str(proof**2 - previous_proof**2).encode()).hexdigest()
            
            if not hash_operation.startswith('0000'):
                return False
            
            previous_block = block
            block_index += 1
            
        return True
    
    
app = Flask(__name__)
app.config['JSONIFY_PRETTYPRINT_REGULAR'] = False
blockchain = Blockchain()

@app.route('/mine_block', methods = ['GET'])
def mine_block():
    previous_block = blockchain.get_previous_block()
    previous_proof = previous_block['proof']
    proof = blockchain.proof_of_work(previous_proof)
    previous_hash = blockchain.hash(previous_block)
    block = blockchain.create_block(proof, previous_hash)
    responses = {
        'message': 'Congratulations, you just mined a block!',
        **block
    }
    return jsonify(responses), 200


@app.route('/get_chain', methods = ['GET'])
def get_chain():
    response = {
        'chain': blockchain.chain,
        'length': len(blockchain.chain)
    }
    return jsonify(response), 200


app.run(host = '0.0.0.0', port = 5000)

 

Reference

[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Blockchain

[2] https://www.udemy.com/course/build-your-blockchain-az/