Entendendo como funciona uma Blockchain com Python
Vamos criar uma simples Blockchain para assimilar os principais conceitos
Esse artigo é uma tradução e releitura do artigo Trying to understand blockchain by making one!.
Introdução
Temos visto muito sobre Bitcoin e criptomoedas e podemos dizer que estão na moda. E como todo desenvolvedor, devemos sempre nos atualizar e conhecer novos conceitos e tecnologias.
Blockchain é o conceito base de toda criptomoeda, mas não é limitado a esse escopo e pode ser aplicado de diversas maneiras. Para entender melhor esse conceito, resolvi criar uma simplória blockchain.
O que precisamos?
Bloco
Uma blockchain é feita de blocos. No nosso caso, um bloco será composto de: uma data, um índice e algum conteúdo (uma mensagem, por exemplo) e o hash do bloco anterior.
Criptografia
Para manter as informações armazenadas de maneira segura na blockchain, vamos precisar criptografar os dados. Para nosso pequeno projeto, vamos utilizar o método sha256 da biblioteca padrão hashlib. Essa função irá criar uma string com 64 caracteres.
No fim das contas, nossa blockchain será uma lista de hashes, cada um com 64 caracteres. E como mencionado, o hash do bloco anterior está contido no bloco seguinte e é por isso que chamamos de blockchain (cadeia de blocos).
Difficulty e Nonce
Uma blockchain não é contruída apenas criando hashes dos blocos. Um hash precisa ser válido. No nosso caso, um hash será válido se começar com quatro “0” (por exemplo, “0000abc…”). Chamamos essa validação de difficulty (dificuldade). Quanto maior essa dificuldade, mais tempo vai levar para encontrar um hash válido.
MAS… Se o hash não é válido na primeira vez, algo precisa mudar para conseguir um hash diferente, certo? Se você já trabalhou com hashes, sabe que se utilizámos o mesmo dado, sempre resultará no mesmo hash. Para contornar isso, utilizamos um nonce, que, em outras palavras, é um valor arbitrário. É um simples número inteiro que vamos incrementar sempre que um hash não for válido.
Resumindo, vamos realizar o hash do nosso bloco (data, índice, mensagem e hash anterior) e um valor arbitrário de 1. Se o hash não for válido, vamos tentar com um valor arbitrário de 2. E vamos incrementando o valor arbitrário de 1 em 1 até encontrar um hash válido.
Bloco de gênese
Pelo nome você deve ter adivinhado que se trata do primeiro bloco da nossa blockchain. O problema é que esse bloco não tem hash anterior, porque não existe bloco anterior. Vamos apenas utilizar um valor arbitrário para criar um hash para representar o bloco anterior e assim criar o primeiro bloco da nossa blockchain.
Quais métodos vamos precisar?
Construir a blockchain
Claro que vamos ter uma função para contruir e iniciar nossa blockchain. A principal responsabilidade será criar o bloco de gênese.
Criptografar nossos blocos
Uma função responsável por gerar um hash válido para nossos blocos.
Checar a validade de um hash
Também teremos uma função que irá validar se o hash começa com “0000”, ou seja, se é válido para nossa blockchain.
Recuperar hash anterior
Vamos precisar de uma função que recupere o último hash da nossa blockchain para incluir ao criar um novo bloco.
Adicionar um novo bloco
E por último, precisamos oferecer uma forma de adicionar um novo bloco.
Mãos no código
Nosso pequeno projeto tem apenas dois arquivos: blockchain.py e main.py. O primeiro contém nossa classe Blockchain com todas as funções necessárias. E o segundo é um exemplo de uso.
blockchain.py
Nesse módulo, temos uma classe com alguns métodos que vamos analisar. Antes de tudo, importo as funções que vamos precisar:
- sha256 para criptografar nossos blocos
- datetime para ter a data de criação (timestamp) dos blocos
Agora vamos dá uma olhada no que está acontecendo nos métodos:
- set_genesis_block: esse método é chamado na construção da blockchain para criar o primeiro bloco da cadeia, ou seja, o bloco de gênese. Pegamos o timestamp da data atual, uma mensagem, o índice do bloco na blockchain (0) e um valor arbitrário como hash anterior visto que não temos blocos na cadeia (self.blocks) ainda. Com esses dados, adicionamos o bloco na cadeia chamando o método hash_block.
- hash_block: esse método recebe todo o conteúdo do bloco, cria um hash válido e adiciona na cadeia. Como você pode ver, na primeira vez que tentamos criptografar um bloco, ajustamos o valor do nonce como 0. Em seguida, juntamos todo o conteúdo do bloco em uma string e criptografamos com a função sha256 da biblioteca padrão hashlib. Se o hash não for válido, incrementamos o nonce e tentamos de novo. Quando encontrarmos um hash válido, adicionamos no final da cadeia.
- get_last_hash: nesse método, retornando o último bloco da cadeira.
- is_hash_valid: esse método recebe um hash e determina se o mesmo é válido.
- add_new_block: esse método é responsável por adicionar uma novo bloco. Apenas precisamos da informação (nosso caso, são mensagens) como argumento, porque o resto do conteúdo do bloco é calculado através da própria blockchain. Uma vez que o conteúdo do bloco esteja pronto, chamamos hash_block para adicionar o bloco na cadeia.
Muito bom, agora vamos ver como utilizamos essa classe Blockchain no nosso main.py.
main.py
O que está acontecendo aqui é que importamos nossa classe Blockchain e:
- Criamos uma nova instância “blockchain”
- Adicionamos 3 blocos com as respectivas mensagens: “Primeiro bloco!”, “Blockchain é top!” e “Mais uma vez!”.
Por último, damos uma olhada de como está nossa cadeia de blocos. A saída é mais ou menos assim:
[nonce] 3455
[nonce] 4003
[nonce] 40238
[nonce] 4161
[‘0000d5e8a1a6e6c0e033c0e9c8e1f6a1ff7426083fee5343274c230599670fed’, ‘000015422c0380102a781d44f116efc605a9487cab8aa40397f32d9012a4ecc8’, ‘00004d05054645cfe0b3dff068151b8502db93b9b9a49143a4b7aec7bbbdbfbb’, ‘0000d78b4059d51651fdac4159b5cabc30ecd59e377c841a434510fbde773fa8’]O array representa nossos 4 blocos (bloco de gênese e os 3 adicionados). Como você pode ver, cada um deles começa com “0000”, então cada um deles é válido. Se algum deles não começasse com quatro zeros, saberíamos que se trata de hash inválido e portanto o conteúdo correspondente desse bloco não é confiável.
Também podemos ver 4 valores de nonce. Eles são os valores que foram utilizados em cada bloco. Se você voltar ao blockchain.py verá que temos um print no método hash_block. Esses valores também representam quantas vezes fizemos o hash do bloco até encontrar um válido.
A mensagem “Blockchain é top!” (nosso segundo bloco que foi adicionado no main.py) precisou de 40238 tentativas antes de encontrar um hash válido!
Conclusão
Isso é um exemplo bem simples de como funciona uma blockchain. Provavelmente algumas coisas ficaram de fora, outras foram simplificadas. Nesse pequeno projeto aprendi:
- Se uma pessoa quiser modificar algum bloco já adicionado no blockchain, ela teria que mudar cada um dos blocos seguintes desse bloco. Cada bloco, contém um hash anterior, o que tornar tentar alterar algum dado bem complicado.
- Mas se a maioria dos usuário da blockchain decidirem por alterar algum dado, eles podem alterar o dado anterior e concordar em alterar o resto de acordo com a modificação. Uma blockchain funciona apenas se a maioria seguir as regras. Ou você pode acabar com duas cadeias: uma onde os usuários decidiram manter os conteúdos originais e outra onde os usuários decidiram por alterar os conteúdos.
- Ouvimos falar sobre o enorme consumo de energia para minerar Bitcoin. Minerar é o conceito de resolver o problema da dificuldade quando vamos criptografar os dados. Você recebe uma transação para ser adicionada na cadeia e tem que encontrar uma hash válido para esse bloco. Como recompensa você recebe um pouco de Bitcoin.
Isso é tudo por hoje. Isso me ajudou a compreender melhor os conceitos para criação de uma blockchain e como ela funciona, espero que seja útil para você também. Sinta-se livre para me corrigir nos comentários abaixo.
