2025年Python區(qū)塊鏈技術專項訓練試卷-實戰(zhàn)項目開發(fā)考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______項目名稱：基于Python的簡化分布式賬本系統(tǒng)項目背景：你正在參與一個項目，需要設計并實現(xiàn)一個簡化版的分布式賬本系統(tǒng)。該系統(tǒng)旨在模擬區(qū)塊鏈的核心概念，包括分布式節(jié)點的數(shù)據(jù)一致性維護、基本的交易處理和賬本查詢功能。為了簡化實現(xiàn)，本項目不考慮復雜的P2P網(wǎng)絡發(fā)現(xiàn)機制，假設節(jié)點地址是預先配置的。共識機制采用一種簡化的“多數(shù)節(jié)點同意”模型。所有數(shù)據(jù)將存儲在本地文件中。項目需求：1.節(jié)點與賬本：*系統(tǒng)中的每個“節(jié)點”由一個獨立的Python腳本或程序表示，可以運行在本地多進程/多線程或不同機器上（模擬）。*每個節(jié)點維護一個本地賬本（LocalLedger），該賬本是一個持久化的數(shù)據(jù)結構（例如，使用JSON文件或SQLite數(shù)據(jù)庫），記錄了所有已確認的交易。*賬本應包含一個全局唯一賬本ID（可以從文件名或數(shù)據(jù)庫主鍵中獲?。?，以及一個按時間順序排列的交易列表。2.交易（Transaction）：*交易是一個數(shù)據(jù)結構，至少包含：交易ID（TxID）、發(fā)送者地址（Sender）、接收者地址（Receiver）、金額（Amount）、時間戳（Timestamp）。*交易必須使用發(fā)送者的私鑰進行數(shù)字簽名（使用Python的cryptography庫或類似庫實現(xiàn)非對稱加密）。簽名應與交易ID和發(fā)送者地址一起存儲。*提供一個函數(shù)，能夠驗證交易的簽名是否有效。3.共識機制（簡化版“多數(shù)同意”）：*當一個節(jié)點接收到一個有效的、未在本地賬本中記錄的交易時，它將該交易添加到自己的“候選交易池”（MemPool）。*節(jié)點定期（或基于事件觸發(fā)）嘗試將MemPool中的交易打包成一個新的大賬本條目（Block）。*為了創(chuàng)建一個新的賬本條目（Block），節(jié)點需要：*從MemPool中選擇一組交易。*對選中的交易進行排序。*計算賬本條目的哈希值。這個哈希值需要滿足某種簡單的“工作量證明”或僅僅是滿足前導零的要求（例如，要求哈希值以一定數(shù)量的零開頭），以模擬挖礦難度?？梢允褂煤唵蔚淖址僮骰騢ashlib庫實現(xiàn)。*將交易列表、賬本條目哈希（作為該條目的“區(qū)塊頭”的一部分）、創(chuàng)建時間戳、以及創(chuàng)建節(jié)點的唯一標識（NodeID）記錄下來。*共識規(guī)則：一個新創(chuàng)建的賬本條目（Block）需要被系統(tǒng)中超過50%的節(jié)點（假設系統(tǒng)中有N個節(jié)點，需要超過N/2個節(jié)點確認）接受。一個節(jié)點接受一個賬本條目，意味著它將這個條目添加到自己的本地賬本中，并從MemPool中移除已包含在該條目中的交易。*節(jié)點需要一種機制來接收來自其他節(jié)點的賬本條目提議。當一個節(jié)點提議一個新的賬本條目時，其他節(jié)點需要驗證該條目的有效性（交易簽名、區(qū)塊頭哈希滿足要求等）以及其包含的交易是否已處理。*如果一個節(jié)點提議的賬本條目被多數(shù)節(jié)點接受，該節(jié)點可以將其視為“已確認”，并可以開始提議下一個賬本條目。如果一個提議未被接受，節(jié)點應能處理沖突（例如，通過重新收集交易或接受其他節(jié)點提議的更“長”的鏈）。4.節(jié)點間通信（簡化）：*提供一種機制（例如，使用Python的socket編程、pickle序列化對象，或在同一臺機器上使用multiprocessing.Queue），允許節(jié)點之間發(fā)送和接收消息。*消息類型應包括：發(fā)送節(jié)點ID、消息類型（如：'NEW_TRANSACTION','BLOCK提議','ACKNOWLEDGE_BLOCK'）以及消息內(nèi)容（序列化的交易對象、序列化的賬本條目對象等）。*實現(xiàn)一個簡單的節(jié)點通信協(xié)議。5.命令行接口（CLI）：*提供一個命令行界面，允許用戶與系統(tǒng)交互。至少應包括以下命令：*`node_start[node_id]`:啟動指定ID的節(jié)點（如果未指定，則隨機生成一個）。*`node_stop[node_id]`:停止指定ID的節(jié)點。*`send_transaction[sender_id][receiver_id][amount]`:從指定發(fā)送者地址向指定接收者地址發(fā)送指定金額的交易。發(fā)送者ID應關聯(lián)到一個已啟動的節(jié)點，該節(jié)點負責簽署并發(fā)送交易。*`list_nodes`:列出當前活躍的節(jié)點及其狀態(tài)（例如，是否已同步）。*`show_blockchain[node_id]`:顯示指定節(jié)點的完整賬本條目列表。*`show_ledger[node_id]`:顯示指定節(jié)點的當前交易記錄。6.持久化與同步：*節(jié)點的本地賬本必須持久化存儲到磁盤，以便在程序重啟后能夠恢復。*實現(xiàn)節(jié)點間的賬本同步機制。當一個新節(jié)點啟動時，它需要與其他節(jié)點通信，以獲取最新的賬本狀態(tài)，確保自己的賬本與網(wǎng)絡中的多數(shù)節(jié)點保持一致。如果本地賬本落后，應能下載并應用缺失的賬本條目。開發(fā)任務：1.設計并實現(xiàn)交易（Transaction）類，包括屬性、構造方法、以及使用私鑰簽名的靜態(tài)方法`sign_transaction(private_key,transaction)`和驗證簽名的靜態(tài)方法`verify_signature(transaction,signature)`。2.設計并實現(xiàn)節(jié)點（Node）類，包含屬性：節(jié)點ID、本地賬本（數(shù)據(jù)結構及持久化方案）、MemPool（數(shù)據(jù)結構）、已連接節(jié)點列表、共識配置（如所需確認數(shù)）等。實現(xiàn)節(jié)點的基本功能，如接收交易、處理交易、創(chuàng)建賬本條目、驗證賬本條目、與其他節(jié)點通信等。3.實現(xiàn)節(jié)點間通信模塊，定義消息格式，并編寫發(fā)送和接收消息的函數(shù)。4.實現(xiàn)賬本條目（Block）類，包含屬性：交易列表、區(qū)塊頭（包含前一區(qū)塊哈希、當前區(qū)塊哈希、時間戳、NodeID等）。5.實現(xiàn)共識模塊的核心邏輯，包括賬本條目的創(chuàng)建（模擬挖礦）、驗證以及多數(shù)節(jié)點確認的機制。6.實現(xiàn)本地賬本的數(shù)據(jù)持久化（選擇JSON文件或SQLite數(shù)據(jù)庫）。7.實現(xiàn)賬本同步機制，確保新節(jié)點能夠加入并達到共識。8.實現(xiàn)命令行接口（CLI），允許用戶通過命令與系統(tǒng)交互。9.編寫必要的測試用例，驗證交易簽名、賬本條目創(chuàng)建、共識過程、節(jié)點同步等核心功能的正確性。提交要求：請?zhí)峤凰性创a文件，并附帶一個簡短的文檔，說明系統(tǒng)的設計思路、關鍵模塊的實現(xiàn)細節(jié)、以及如何運行你的程序（包括啟動節(jié)點、發(fā)送交易、查看結果等基本步驟）。試卷答案項目名稱：基于Python的簡化分布式賬本系統(tǒng)項目需求：1.節(jié)點與賬本：*節(jié)點表示：可以使用Python的`multiprocessing`模塊創(chuàng)建多進程表示不同節(jié)點，或在同一進程中使用線程（`threading`）模擬并發(fā)。也可以考慮使用`socket`編程在多臺機器（或同一臺機器的不同端口）上運行獨立的Python腳本。每個節(jié)點由一個獨立的Python程序或腳本實例表示。*本地賬本：賬本可以使用JSON文件存儲（例如，`ledger_nodeID.json`），其中包含一個賬本ID和交易列表（每個交易是JSON對象）。或者使用SQLite數(shù)據(jù)庫，創(chuàng)建一個數(shù)據(jù)庫表來存儲賬本ID、交易ID、交易數(shù)據(jù)、創(chuàng)建時間等。賬本需要支持增刪查改操作，并確保數(shù)據(jù)的持久化。2.交易（Transaction）：*交易結構：定義一個`Transaction`類，包含`TxID`,`Sender`,`Receiver`,`Amount`,`Timestamp`屬性。`TxID`可以使用UUID生成。`Sender`和`Receiver`是地址字符串，`Amount`是浮點數(shù)或整數(shù)，`Timestamp`是`datetime.datetime.now()`。*數(shù)字簽名：*依賴庫：使用`cryptography`庫，特別是`cryptography.hazmat.primitives.asymmetric`和`cryptography.hazmat.primitives.hashes`模塊。*簽名方法：在`Transaction`類中添加`sign(self,private_key)`方法。使用`private_key.sign()`方法，傳入交易數(shù)據(jù)的序列化形式（如`json.dumps(self.__dict__)`）和哈希算法（如`hashes.SHA256()`）。返回簽名值（`Signature`對象）。*存儲：將簽名值序列化（如使用`pickle`或直接轉(zhuǎn)為bytes）并存儲在`Transaction`對象的屬性中。*驗證簽名：*方法：在`Transaction`類中添加`verify_signature(self,signature,public_key)`方法。使用`public_key.verify()`方法，傳入簽名值和交易數(shù)據(jù)的序列化形式以及相同的哈希算法。如果沒有異常拋出，則驗證通過。3.共識機制（簡化版“多數(shù)同意”）：*MemPool：每個節(jié)點維護一個MemPool數(shù)據(jù)結構（如`list`或`set`），用于存儲未確認的交易對象。*創(chuàng)建賬本條目（Block）：*選擇交易：從MemPool中選取交易。可以按時間戳排序后取最近的N筆。*計算區(qū)塊頭哈希：*工作量證明（簡化）：定義一個`calculate_block_hash(transactions,prev_hash,node_id)`函數(shù)。將交易列表序列化、當前時間戳、`prev_hash`（如果存在）、`node_id`按固定順序拼接成一個字符串。使用`hashlib.sha256()`對這個字符串進行多次哈希（例如，循環(huán)直到哈希值以指定數(shù)量的零開頭，如`hash.hexdigest().startswith('0000')`）。需要設定一個可調(diào)整的難度因子（如前置零的數(shù)量）。*區(qū)塊結構：定義`Block`類，包含`transactions`,`block_hash`,`timestamp`,`creator_node_id`,`prev_block_hash`屬性。`block_hash`是通過`calculate_block_hash`計算得到的。*共識規(guī)則實現(xiàn)：*提議與接收：節(jié)點創(chuàng)建`Block`對象后，向超過50%的已知節(jié)點發(fā)送`'BLOCK提議'`消息，包含該`Block`對象。其他節(jié)點收到消息后，調(diào)用`Block`的驗證方法（檢查交易簽名、區(qū)塊頭哈希滿足難度要求、交易不在本地賬本等）。*接受與確認：如果一個節(jié)點驗證通過，并且認為該區(qū)塊是當前最長的有效鏈的一部分（或根據(jù)簡單規(guī)則選擇接受），它將該區(qū)塊添加到自己的本地賬本中，從MemPool中移除相關交易，并向其他節(jié)點發(fā)送`'ACKNOWLEDGE_BLOCK'`消息確認。節(jié)點收到多數(shù)節(jié)點的`ACKNOWLEDGE`后，可以認為該區(qū)塊已確認。*沖突處理：如果節(jié)點收到多個沖突的區(qū)塊提議（來自不同節(jié)點或不同交易集），可以采用“最長鏈”規(guī)則（接受包含最多已確認交易數(shù)的鏈）或“最新鏈”規(guī)則（接受時間戳最新的鏈），或者回滾到某個共同的前祖區(qū)塊。4.節(jié)點間通信（簡化）：*消息格式：定義消息為字典，包含`'node_id'`,`'message_type'`,`'content'`。`'content'`是序列化的對象（使用`pickle`）。*通信方式（示例-使用`socket`）：*服務器端（節(jié)點）：使用`socket.server.ThreadingMixIn`或`socket.server.ForkingMixIn`創(chuàng)建支持多客戶端的服務器。接收連接，接收數(shù)據(jù)（包括`message_type`和`content`），根據(jù)類型處理。發(fā)送數(shù)據(jù)時，序列化消息字典。*客戶端（節(jié)點）：創(chuàng)建連接到服務器端的socket，發(fā)送序列化的消息字典，接收響應。*序列化：使用`pickle.dumps()`序列化對象，`pickle.loads()`反序列化。注意，使用pickle時，確保發(fā)送方和接收方環(huán)境有兼容的類定義。5.命令行接口（CLI）：*使用庫：使用`argparse`庫解析命令行參數(shù)。*啟動/停止節(jié)點：`node_start`命令可以調(diào)用節(jié)點類的啟動方法。`node_stop`命令可以調(diào)用節(jié)點類的停止方法或記錄節(jié)點狀態(tài)為停止。需要維護一個全局節(jié)點注冊表或狀態(tài)跟蹤。*發(fā)送交易：`send_transaction`命令解析參數(shù)，找到對應的發(fā)送者節(jié)點實例，調(diào)用其`send_transaction`方法（該方法負責簽署交易、加入MemPool、嘗試創(chuàng)建區(qū)塊并發(fā)送）。*列表/顯示節(jié)點/賬本：這些命令遍歷節(jié)點注冊表，根據(jù)用戶指定的節(jié)點ID，獲取并打印該節(jié)點的狀態(tài)信息、賬本條目列表或交易記錄。可能需要序列化賬本數(shù)據(jù)以便打印。6.持久化與同步：*持久化：*JSON：在節(jié)點類中，添加方法如`save_ledger_to_file()`和`load_ledger_from_file()`，使用`json.dump()`和`json.load()`操作文件。*SQLite：使用`sqlite3`庫。創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫連接，定義表結構（如`CREATETABLEtransactions(idTEXTPRIMARYKEY,senderTEXT,receiverTEXT,amountREAL,timestampTEXT,signatureBLOB)`），提供`save_transaction()`,`get_all_transactions()`,`save_block()`,`get_all_blocks()`等數(shù)據(jù)庫操作方法。*同步機制：*節(jié)點啟動同步：節(jié)點啟動時，向所有已知節(jié)點發(fā)送`'GET_BLOCKCHAIN'`請求。收到響應后，比較本地賬本長度，如果落后，請求缺失的賬本條目（`'GET_BLOCK'`）或整個賬本（`'GET_FULL_LEDGER'`）。接收到的賬本條目/交易進行驗證后，合并到本地賬本。*共識過程本身即是一種同步：節(jié)點通過共識協(xié)議獲取了網(wǎng)絡中多數(shù)節(jié)點認可的狀態(tài)。開發(fā)任務：1.交易類實現(xiàn)：```pythonimportuuidimportjsonfromdatetimeimportdatetimefromcryptography.hazmat.primitives.asymmetricimportrsa,paddingfromcryptography.hazmat.primitivesimporthashesimportpickleclassTransaction:def__init__(self,sender,receiver,amount):self.TxID=str(uuid.uuid4())self.Sender=senderself.Receiver=receiverself.Amount=amountself.Timestamp=datetime.now().isoformat()self.Signature=None#StoresignatureasNoneinitiallydefsign(self,private_key):#Serializetransactiondatatransaction_data=json.dumps(self.__dict__,sort_keys=True)#Encodedataforsigningdata=transaction_data.encode()#Signdatasignature=private_key.sign(data,padding.PSS(mgf=padding.MGF1(hashes.SHA256()),salt_length=padding.PSS.MAX_LENGTH),hashes.SHA256())self.Signature=signaturereturnself.Signature@staticmethoddefverify_signature(transaction,signature,public_key):try:#Serializetransactiondatatransaction_data=json.dumps(transaction.__dict__,sort_keys=True)#Encodedataforverificationdata=transaction_data.encode()#Verifysignaturepublic_key.verify(signature,data,padding.PSS(mgf=padding.MGF1(hashes.SHA256()),salt_length=padding.PSS.MAX_LENGTH),hashes.SHA256())returnTrueexceptExceptionase:print(f"Verificationfailed:{e}")returnFalse```*(需要補充RSA密鑰生成和管理邏輯)*2.節(jié)點類實現(xiàn)：```pythonimportthreadingimporttimeimportrandom#...引入其他必要的類和庫(Transaction,Block,Networking,Persistence)classNode(threading.Thread):#...Node類屬性(node_id,peer_nodes,ledger,mempool,consensus_config,etc.)defrun(self):#節(jié)點主循環(huán)邏輯whileTrue:#...檢查MemPool，嘗試創(chuàng)建Block#...監(jiān)聽來自其他節(jié)點的消息#...處理接收到的消息(NEW_TRANSACTION,BLOCK提議,ACKNOWLEDGE_BLOCK)#...定期嘗試與其他節(jié)點同步賬本passdefreceive_transaction(self,transaction):#驗證交易簽名ifTransaction.verify_signature(transaction,transaction.Signature,self.public_key):#檢查交易是否已在賬本或MemPool中iftransaction.TxIDnotinself.get_all_transaction_ids():self.mempool.add(transaction)print(f"Received&addedtransaction{transaction.TxID}toMemPool.")else:print(f"Transaction{transaction.TxID}signatureverificationfailed.")defcreate_block(self):#...從MemPool選擇交易，創(chuàng)建Block對象#...計算區(qū)塊頭哈希(滿足工作量證明)#...將Block添加到本地賬本，從MemPool移除交易#...向其他節(jié)點發(fā)送'BLOCK提議'passdefhandle_block_proposal(self,block,from_node_id):#...驗證Block有效性(交易簽名、工作量證明、交易唯一性等)ifself.verify_block(block):#...添加Block到本地賬本(如果驗證通過)#...向其他節(jié)點發(fā)送'ACKNOWLEDGE_BLOCK'passdefsync_ledger(self):#...與其他節(jié)點同步賬本(如果發(fā)現(xiàn)落后)pass#...其他必要的方法(如保存/加載賬本,處理網(wǎng)絡通信等)```*(需要具體實現(xiàn)通信、共識、持久化等細節(jié))*3.通信模塊實現(xiàn)：```pythonimportsocketimportjsonimportpickle#消息格式示例defcreate_message(node_id,message_type,content):return{'node_id':node_id,'message_type':message_type,'content':content}defsend_message(client_socket,message):serialized_message=pickle.dumps(message)client_socket.sendall(serialized_message)defreceive_message(client_socket):try:raw_data=client_socket.recv(4096)ifnotraw_data:returnNonemessage=pickle.loads(raw_data)returnmessageexceptExceptionase:print(f"Errorreceivingmessage:{e}")returnNone#服務器端示例(使用socketserver)#classNodeServer(socketserver.ThreadingMixIn,socketserver.TCPServer):...#在Node類中實現(xiàn)基于socket的發(fā)送和接收邏輯```4.賬本條目（Block）類實現(xiàn)：```pythonimportjsonimporthashlibclassBlock:def__init__(self,transactions,prev_block_hash,creator_node_id):self.Transactions=transactions#ListofTransactionobjectsself.PrevBlockHash=prev_block_hash#Hashofthepreviousblockor'0'forGenesisself.CreatorNodeID=creator_node_idself.Timestamp=datetime.now().isoformat()self.BlockHash=self.calculate_block_hash()defcalculate_block_hash(self):#按固定順序序列化Block屬性sorted_transactions=sorted(self.Transactions,key=lambdat:t.TxID)data=(json.dumps([t.__dict__fortinsorted_transactions],sort_keys=True)+self.PrevBlockHash+self.CreatorNodeID+self.Timestamp).encode()#進行多次哈希以模擬工作量證明hash_obj=hashlib.sha256()whileTrue:hash_obj.update(data)current_hash=hash_obj.hexdigest()#檢查哈希是否滿足難度要求(例如，以4個零開頭)ifcurrent_hash.startswith('0000'):returncurrent_hash#可以在這里調(diào)整難度或簡單地再次哈希hash_obj=hashlib.sha256()#實際應用中應有明確的難度設定和退出條件```5.共識模塊核心邏輯實現(xiàn)：```python#邏輯已部分融入Node類中的create_block,handle_block_proposal等方法#示例：多數(shù)節(jié)點確認判斷defis_majority_achieved(acknowledges,total_known_nodes):returnlen(acknowledges)>total_known_nodes/2```6.持久化實現(xiàn)（JSON示例）：```pythonimportjsonimportosclassLedgerPersistence:def__init__(self,node_id,data_dir='data'):self.node_id=node_idself.file_path=os.path.join(data_dir,f'ledger_{node_id}.json')defsave_ledger(self,ledger):#ledgerisadictlike{'blocks':[...],'transactions':[...]}withopen(self.file_path,'w')asf:json.dump(ledger,f,indent=2)defload_ledger(self):ifos.path.exists(self.file_path):withopen(self.file_path,'r')asf:returnjson.load(f)else:return{'blocks':[],'transactions':[]}#Genesisstateorempty#Node類中集成#self.persistence=LedgerPersistence(self.node_id)#self.ledger=self.persistence.load_ledger()#self.persistence.save_ledger(self.ledger)```7.同步機制實現(xiàn)（簡化）：```python#在Node類run方法中處理啟動同步#defrun(self):#...初始化...#ifself.ledger['blocks']:#如果本地賬本非空，可能已是同步的#pass#else:#啟動時賬本為空，需要同步#self.sync_ledger_from_peers()#...主循環(huán)...##defsync_ledger_from_peers(self):##向所有節(jié)點請求賬本#forpeer_idinself.peer_nodes:#self.send_message(peer_id,create_message(self.node_id,'GET_FULL_LEDGER',{}))##處理收到的賬本數(shù)據(jù)##...```8.CLI實現(xiàn)（使用argparse）：```pythonimportargparseparser=argparse.ArgumentParser(description="PythonBlockchainSimulationCLI")parser.add_argument('command',choices=['start','stop','send','list','show_blockchain','show_ledger'],help='Commandtoexecute')parser.add_argument('--node_id',type=str,help='NodeID')parser.add_argument('--sender_id',type=str,help='SenderNodeIDfortransaction')parser.add_argument('--receiver_id',type=str,help='ReceiverNodeIDfortransaction')parser.add_argument('--amount',type=float,help='Amountfortransaction')#...其他