Pythonでブロックチェーンアプリケーションを構築する手順は、Coinpedia Fintech Newsに最初に掲載されました。

導入

ブロックチェーン

ブロックチェーンは、金融とプログラミングの分野のパイオニアです。取引やデータベースを管理する中央機関が存在しない分散型メカニズムなどの主要な機能により、世界中から注目を集めている新興テクノロジーです。透明性とセキュリティの面で多くの利点があります。

ブロックチェーンとは一体何なのか疑問に思う人もいるかもしれません。

簡単に言えば、ブロックチェーンとは、暗号化によってリンクされたブロックまたはファイルを指します。これは、暗号化ルールによって前後に接続されたデジタルチェーンのようなものです。これにより、参加ノードが暗号化メカニズムを使用して整合性を合意し維持するコミュニティ内でトランザクションが循環および配布されます。

ブロックチェーン テクノロジーは、あらゆるデジタル脅威や障害に耐えられるほど堅牢であり、サイバーセキュリティ リスクの処理に適しています。

ブロックチェーンにおけるPython

Python は最も動的で適応性の高い言語です。ソフトウェア エンジニアリングのどの分野を挙げても、その機能性から Python は常に第一候補です。Python は構文がシンプルで、他の言語に比べて関数を実行するのに必要な行数が少なくて済みます。Python のシンプルな構文は、エラーやバグに対処するのに役立ちます。

Python には、開発プロセスを加速する豊富なエコシステムと多機能ライブラリがあります。たとえば、PyCryptodome や Hashlib などのライブラリは暗号化機能と計算機能を提供し、Flask や Django などのフレームワークは API や Web アプリケーション インターフェースに役立ちます。一方、Brownie や Vyper などのライブラリはスマート コントラクトの展開に使用されます。

Python は、C++、Java、Javascript などのさまざまな言語を統合できます。また、複数の API 統合もサポートしています。API 統合は、他のソフトウェア、プラットフォーム、フレームワークとのコラボレーションに役立ちます。Python には大きなコミュニティがあり、コミュニティからの応答性の高いサポート システムは高く評価されています。非常に役立つオープン ソースの貢献と、Python を他に類を見ないものにしているデータ サイエンスおよび分析プラットフォームがあります。

観客

ここでの本当の疑問は、ブロックチェーン アプリケーションの開発に Python をどのように使用するかということです。

心配しないでください。この記事はあなたの助けになります。ここでは、ブロックチェーンでの Python の使用と統合に焦点を当てます。すべての新進開発者はこの記事から旅を始めることができます。

完璧なセットアップと構成管理ができるか心配ですか? 私たちがお手伝いします! Python を使用したブロックチェーン アプリケーションの構築という魅力的な世界を深く探ってみましょう。

開発環境の設定

開発を始める前に、すべての前提条件を揃えておくことが重要です。このセクションでは、プロセス全体について説明します。

設定に関しては、Python のセットアップ プロセスが最も簡単です。

詳細に見てみましょう:

Pythonのインストール

  • 公式ウェブサイトにアクセスして、最新の Python バージョンをダウンロードしてください: https://www.python.org/downloads/

  • お使いのオペレーティングシステム（Windows、MacOS、Linux）に応じてダウンロードしてください。

  • Python ランチャーが付属しているので、インストール ガイドを確認してください。これにより、システムに Python がインストールされます。

コマンドライン (コマンド プロンプトまたはターミナル) で python –version または python3 –version を使用してインストールを確認します。

注: 必ず最新バージョンの Python (3.12) をインストールしてください。特定のユーティリティが必要な場合にのみ、それより低いバージョンを使用してください。

IDEの選択

システムに Python をインストールしたら、次に注意すべきことは適切な開発環境です。これは非常に重要なステップです。構成の矛盾のない適切な IDE を選択することが、今後のすべてのプロジェクトの基礎となるからです。

主な IDE は 2 つあります。

PyCharm: Pycharm は JetBrains によって開発され、Python で最も人気のある IDE です。Pycharm には、開発者の生産性を高めるためのさまざまなツールが用意されています。

関数に基づいてコード テンプレートをリアルタイムで完成させるスマート コード補完などのさまざまな機能を提供します。Pycharm はデバッグ ツールの面で本当に魅力的です。コードのステップ オーバー、コード全体のステップ ダウン、コードのどの部分でエラーが発生しているかを確認するための複数のブレークポイントの追加、変数検査とともにコードの小さな部分を実行するためのコンソールなどのオプションを提供します。

Pycharm をセットアップする手順:

  • 公式ウェブサイトにアクセスしてPyCharmをダウンロードしてください。

  • https://www.jetbrains.com/pycharm/download/?section=mac

  • ポップアップの指示に従ってください。

  • インストールが完了したら、Pycharm を起動し、プロジェクトと Python インタープリターを次のように構成します。

ファイル→設定→プロジェクト→プロジェクト→プロジェクトインタープリターの順に選択し、以前にインストールした適切な Python バージョンを選択します。

Jupyter Notebook: Jupyter Notebook はオンライン IDE (Web アプリケーション) です。Python と並んで、テキスト編集にも使用されます。Jupyter Notebook は、拡張機能とともに VSCode でリモートで実行できます。

Jupyter Notebook をセットアップする手順:

  • コマンドラインインターフェースを開き、コマンドpip install notebookを実行します。

  • 次のコマンドでJupyter Notebookを起動します: jupyter notebook

必要なライブラリのインストール

ブロックチェーン開発エクスペリエンスを強化するライブラリをいくつか紹介します。

  • Flask: Flask は、Web アプリケーションと RESTful API の構築に使用される Python フレームワークです。ブロックチェーンでは、ダッシュボードや DApps インターフェースなどの Web インターフェースの作成に使用できます。

    • Flask をインストールします: pip install Flask

  • リクエスト: リクエストは、HTTP リクエストとレスポンスを処理および送信するための HTTP ライブラリです。ブロックチェーンでは、リクエストはブロックチェーン ネットワークへの接続やクエリに役立ちます。

    • インストールリクエスト: pip インストールリクエスト

  • Pysha3: Pysha3 は、SHA3-256 や SHA3-512 などの SHA-3 ハッシュ アルゴリズムに使用される最も重要なライブラリです。ハッシュは、ブロックチェーン テクノロジーの整合性とセキュリティに貢献する非常に重要な側面です。

    • pysha3 をインストールします: pip install pysha3

  • Web3.py: Web3.py は、よく使用されるライブラリの異端児であり、スマート コントラクトとのやり取り、ブロックチェーン データのクエリ、トランザクションの送信など、複数の機能を備えています。Web3 は、トランザクションの管理に役立つ Ethereum ベースのライブラリです。

    • web3.pyをインストールします: pip install web3

  • Pycryptodome: Pycryptodome は、低レベルの暗号化機能を備えた本格的な Python パッケージです。このライブラリは、ハッシュ、暗号化、復号化、その他の暗号化操作などのセキュリティとデータ整合性のための機能を提供します。

    • pycryptodome をインストールします: pip install pycryptodome

  • Pandas: Pandas は、ブロックチェーンとトランザクション レコードの分析と視覚化に役立つデータ構造と関数のパッケージを備えた、強力なデータ分析および操作ライブラリです。

    • pandasをインストールします: pip install pandas

  • SQLAlchemy: SQL はデータベースであり、SQLAlchemy は Python 用のオブジェクト リレーショナル マッピングを備えた SQL ツールキットです。高レベルの抽象化によるデータベース操作とインタラクションをサポートします。ブロックチェーン自体が分散データベースであるため、このライブラリはリレーショナル データベースの管理とクエリ、およびトランザクション レコードとユーザー資格情報の保存に使用されます。

    • SQLAlacemy をインストールします: pip install SQLAlchemy

  • Numpy: Numoy は Python の広く使用されているライブラリで、さまざまなアプリケーションに適しています。あらゆる数値演算に使用され、配列、行列、およびそれらに対するさまざまな関数と演算などの数学的エンティティをサポートします。ブロックチェーンでは、Numpy を使用してトランザクション レコードを処理およびシミュレートし、論理アルゴリズムを計算できます。

    • Numpyをインストール: pip install numpy

ブロックチェーンの概念を理解する

ブロックチェーンを理解するために類推すると、それは複数の場所に保存されている履歴データベースのようなもので、すべての場所が同等に重要であり、単一のエンティティがネットワークを支配していないようなものです。

ブロックチェーンの構造を深く理解すると、次のようになります。

ブロック(トランザクション)——–***チェーン***——-ブロック。

3 つのコンポーネントがあります。

  • ブロック: ブロックは、情報またはトランザクションを保持するセルです。ブロックには、特定のトランザクションのリストが格納されます。ブロックは、さまざまなコンセンサス メカニズムを使用して作成またはマイニングできます。すべてのブロックには、ハッシュとも呼ばれる一意の識別子のセットがあります。ハッシュ手法は、ブロック内のデータを暗号化するのに役立ちます。

  • トランザクション: トランザクションとは、ブロックチェーン ネットワーク内でさまざまな通貨間で行われるデータ通貨の交換です。トランザクションの詳細は、コンセンサスと呼ばれる一連のプロトコルに従ってブロックに保存されます。

  • チェーン: ご存知のとおり、ブロックチェーンは、ブロック間の接続を持つリンク リストに似ています。これらのリンクはチェーンとも呼ばれます。リンク リスト内の各ポインターはすべてのリンクを介して接続されているため、ブロックについても同様です。これらは、前のブロックのハッシュによって接続された一連のブロックであり、これにより、ブロックチェーンのデータの整合性とセキュリティが維持されます。変更の目的は、前のブロックと次のブロックの間のリンクとして機能するだけでなく、ハッシュと暗号化の原則とともにリンクを提供することです。

分散化、不変性、コンセンサスメカニズムの重要性:

  • 分散化: 分散化はブロックチェーンの最も重要な特性です。このメカニズムでは、単一のエンティティがデータベース全体を制御できないため、誰かの不一致によるブロックチェーン システムの障害を防止できます。分散化により、偏ったシステムを持つことはほぼ不可能です。デバイスのすべての参加者はブロックチェーンのコピーを保持します。これにより透明性が確保され、集中的な障害や操作が防止されます。

  • 不変性: データがブロックチェーンに書き込まれると、後続のブロックをすべて変更しない限り、そのデータを変更することはできません。ブロックチェーン内の後続のブロックをすべて変更することは、計算コストが高く、非常に非効率的で、失敗につながります。ブロックの変更は、暗号化ハッシュを通じて行う必要があります。したがって、一度行われた変更はすべて元に戻すことができず、ブロックチェーンは不変になります。

  • コンセンサス メカニズム: ブロックチェーンのすべての必要事項を管理する一連のプロトコル。ネットワーク内のすべてのノードが、その方法について合意する必要があります。コンセンサス メカニズムは、ノードを合理化し、ネットワーク内のすべてのノードが同じ認識を持つようにするために使用されます。

シンプルなブロックチェーンの構築

ブロッククラスの作成

上記のコードでは、すべての属性に対して Block クラスを定義しています。

ブロック構造:

  • インデックス: インデックスは、ブロックチェーン内のブロックの位置を表す整数です。インデックスは、ブロックチェーンの順序を識別するのに役立ちます。

  • Genesis ブロックは、インデックス = 0 の初期ブロックです。

  • タイムスタンプ: タイムスタンプには、ブロックが作成されたインスタンスが文字列の形式で保存されます。これは、ブロックがマイニングされたときやブロックチェーンに追加されたときなど、ブロックの記録を維持するのに役立ちます。

  • トランザクション: これらはトランザクション オブジェクトのベクトルとして表され、各トランザクションは参加者間のデータまたは値の転送を表します。ブロックに含まれるすべてのトランザクションを格納します。

  • 前のハッシュとハッシュ: 前のハッシュには前のブロックの暗号ハッシュが格納されますが、ハッシュは暗号化情報の文字列を混ぜ合わせたもの、つまりハッシュ化したものです。

ブロックのハッシュを計算するために SHA3-256 方式を使用しました。

ブロックチェーンクラスの作成

チェーンを管理するための Blockchain クラスと、新しいブロックを追加するためのメソッドを定義します。

上記のコード例では、genesis block – はブロックチェーンの最初のブロックであり、get_latest_block- は最新のブロックを返し、add_block- は新しいブロックを追加します。

プルーフ・オブ・ワークの実装

コンセンサス アルゴリズムは、ネットワーク上にブロックを追加したり新しいブロックを作成したりする際に参加者が合意する必要があるルールです。次のようなさまざまなメカニズムがあります。

プルーフ・オブ・ステーク: これはバリデータが持つ準備ができているステイルに基づいています。ブロックの作成または検証と引き換えにステークが高ければ高いほど、バリデータが選択される可能性が高くなります。

プルーフ オブ ワーク: プルーフ オブ ワークは、ビットコインで初めて導入され、それ以来、セキュリティ メカニズムの 1 つとして広く採用されてきました。PoW では、参加者は互いに競い合い、難しい暗号パズルを解きます。プルーフ オブ ワークには、いくつかのステップがあります。

  • ブロックの作成: マイナーは実行するトランザクションを収集し、ブロックに追加します。

  • ブロックのハッシュ化: まず、マイナーは nonce を指定します。その後、この nonce は暗号化関数に渡され、ブロックは一意の識別子を使用してハッシュされます。

  • マイニング: マイニングとは、ネットワークの難易度要件を満たす完璧なハッシュを見つけるために、ナンスを繰り返し変更することです。

  • ブロックのブロードキャスト: 有効なハッシュを取得すると、マイナーはブロックをネットワークにブロードキャストし、他の参加者がそれを検証します。

  • ブロックをブロックチェーンに追加: ブロックが有効であると判断された場合、そのブロックはブロックチェーンに追加され、マイナーに報酬が与えられます。

  • 難易度の調整: ネットワークは、総計算能力の変化にかかわらず、ブロックが一定の速度でマイニングされるように、PoW パズルの難易度を定期的に調整します。

その他: 代表者が選出される委任型ステーク証明として知られる DPos などの他のアルゴリズムや、ビザンチン フォールト トレランス (PBFT) などがあります。

ブロックチェーンにプルーフ・オブ・ワークを追加する

Block クラスを変更して、proof 属性と proof_of_work メソッドを追加します。

add_block 関数を介して証明を検証するように Blockchain クラスを更新しました。

Flask でシンプルなブロックチェーン API を作成する

1. Flaskのセットアップ

Flaskをインストール:pip install Flask

2. APIの構築

Flask アプリを作成し、ブロックを追加してブロックチェーンを表示するためのエンドポイントを定義します。

アプリケーションの実行とテスト

1. Flaskアプリの実行

Flaskアプリを実行します:(コマンドラインで)python app.py

2. Postman によるテスト

ブロックを追加します: curl -X POST -H “Content-Type: application/json” -d ‘{“data”: “Some data”}’ http://localhost:5000/mine

ブロックチェーンを表示する: curl http://localhost:5000/chain

上記のコメントから、アプリケーションはlocalhost:5000/chainでホストされることになります。

ブロックチェーンアプリケーション構築の実例

1. ステップバイステップの実行

以下に、ブロックチェーン アプリケーションの開発に関係するすべての操作のライブおよびフルスタックを示します。