Learn Blockchain by Building One A Concise Path to Understanding Cryptocurrencies ― Daniel van Flymen Learn Blockchain by Building One A Concise Path to Understanding Cryptocurrencies Daniel van Flymen Learn Blockchain by Building One: A Concise Path to Understanding Cryptocurrencies Daniel van Flymen New York, NY, USA ISBN-13 (pbk): 978-1-4842-5170-6 ISBN-13 (electronic): 978-1-4842-5171-3 https://doi.org/10.1007/978-1-4842-5171-3 Copyright © 2020 by Daniel van Flymen This work is subject to copyright. All rights are reserved by the Publisher, whether the whole or part of the material is concerned, specifically the rights of translation, reprinting, reuse of illustrations, recitation, broadcasting, reproduction on microfilms or in any other physical way, and transmission or information storage and retrieval, electronic adaptation, computer software, or by similar or dissimilar methodology now known or hereafter developed. Trademarked names, logos, and images may appear in this book. Rather than use a trademark symbol with every occurrence of a trademarked name, logo, or image we use the names, logos, and images only in an editorial fashion and to the benefit of the trademark owner, with no intention of infringement of the trademark. The use in this publication of trade names, trademarks, service marks, and similar terms, even if they are not identified as such, is not to be taken as an expression of opinion as to whether or not they are subject to proprietary rights. While the advice and information in this book are believed to be true and accurate at the date of publication, neither the authors nor the editors nor the publisher can accept any legal responsibility for any errors or omissions that may be made. The publisher makes no warranty, express or implied, with respect to the material contained herein. Managing Director, Apress Media LLC: Welmoed Spahr Acquisitions Editor: Shiva Ramachandran Development Editor: Rita Fernando Coordinating Editor: Rita Fernando Cover designed by eStudioCalamar Distributed to the book trade worldwide by Springer Science+Business Media New York, 1 New York Plaza, New York, NY 10004. Phone 1-800-SPRINGER, fax (201) 348-4505, e-mail orders-ny@springer- sbm.com, or visit www.springeronline.com. Apress Media, LLC is a California LLC and the sole member (owner) is Springer Science + Business Media Finance Inc (SSBM Finance Inc). SSBM Finance Inc is a Delaware corporation. For information on translations, please e-mail [email protected]; for reprint, paperback, or audio rights, please e-mail [email protected]. Apress titles may be purchased in bulk for academic, corporate, or promotional use. eBook versions and licenses are also available for most titles. For more information, reference our Print and eBook Bulk Sales web page at http://www.apress.com/bulk-sales. Any source code or other supplementary material referenced by the author in this book is available to readers on GitHub via the book’s product page, located at www.apress.com/ 978-1-4842-5170-6. For more detailed information, please visit http://www.apress.com/ source-code. Printed on acid-free paper Dedicated to Joshua, who finishes what he starts. Table of Contents About the Author ���������������������������������������������������������������������������������xi About the Technical Reviewer �����������������������������������������������������������xiii Acknowledgments ������������������������������������������������������������������������������xv Introduction ��������������������������������������������������������������������������������������xvii Chapter 1: Getting Ready for Application Development �����������������������1 Installing Python ���������������������������������������������������������������������������������������������������2 Windows installation ���������������������������������������������������������������������������������������2 macOS installation�������������������������������������������������������������������������������������������3 Linux installation ���������������������������������������������������������������������������������������������3 How Python programs run ������������������������������������������������������������������������������������4 Managing project dependencies ���������������������������������������������������������������������������5 Installing Poetry �����������������������������������������������������������������������������������������������5 Creating a Python project with Poetry �������������������������������������������������������������8 Installing dependencies �����������������������������������������������������������������������������������9 Activating the virtualenv �������������������������������������������������������������������������������������10 Example: Getting the Bitcoin price ����������������������������������������������������������������������12 Summary�������������������������������������������������������������������������������������������������������������13 v Table of ConTenTs Chapter 2: A Way to Identify Everything ���������������������������������������������15 Project setup �������������������������������������������������������������������������������������������������������15 Hash functions ����������������������������������������������������������������������������������������������������17 Example 1: Hashing in Python �����������������������������������������������������������������������17 Example 2: Hashing images ��������������������������������������������������������������������������20 Analogies ������������������������������������������������������������������������������������������������������������22 Irreversibility �������������������������������������������������������������������������������������������������������23 Example 3: Sending untamperable emails ����������������������������������������������������23 How preventing spam led to proofs of work �������������������������������������������������������26 Summary�������������������������������������������������������������������������������������������������������������28 Chapter 3: Blockchains �����������������������������������������������������������������������29 What does a block look like? ������������������������������������������������������������������������������29 Immutability and the importance of hashes �������������������������������������������������������30 A basic blockchain in Python ������������������������������������������������������������������������������31 Representing a blockchain using a class ������������������������������������������������������31 Complete blockchain�py code ������������������������������������������������������������������������36 Chapter 4: Proof of Work ��������������������������������������������������������������������39 Interacting with the blockchain class using iPython �������������������������������������������39 Introduction to proof of work ������������������������������������������������������������������������������40 A trivial example of Proof of Work �����������������������������������������������������������������42 An analogy: Jigsaw puzzles ���������������������������������������������������������������������������43 Implementing Proof of Work �������������������������������������������������������������������������������46 Monetary Supply �������������������������������������������������������������������������������������������������53 vi Table of ConTenTs Chapter 5: Networking ������������������������������������������������������������������������55 A brief moment of appreciation for the Internet �������������������������������������������������55 Concurrency in Python ����������������������������������������������������������������������������������������57 A rapid introduction to asyncio ���������������������������������������������������������������������������59 Building a chat server from the ground up ���������������������������������������������������������61 Completing the chat server ���������������������������������������������������������������������������64 Protocols �������������������������������������������������������������������������������������������������������������79 Groundwork for building a blockchain ����������������������������������������������������������������80 Gossip ������������������������������������������������������������������������������������������������������������81 Chapter 6: Cryptography 101 �������������������������������������������������������������83 Sending messages with integrity ������������������������������������������������������������������������84 Symmetric cryptography �������������������������������������������������������������������������������������85 Caesar’s Cipher ���������������������������������������������������������������������������������������������85 Public key cryptography �������������������������������������������������������������������������������������86 An Example in Python �����������������������������������������������������������������������������������������87 Digital signatures ������������������������������������������������������������������������������������������������90 Verification ����������������������������������������������������������������������������������������������������92 Wallets on the Blockchain �����������������������������������������������������������������������������������94 Chapter 7: Creating a Transactional Node ������������������������������������������95 Transactions and Work Summary �����������������������������������������������������������������������96 A departure from Bitcoin’s UTXO Model ��������������������������������������������������������96 The role of a miner ����������������������������������������������������������������������������������������96 How we’ll be implementing transactions ������������������������������������������������������97 Creating a project for our full node ���������������������������������������������������������������������98 Installing dependencies ���������������������������������������������������������������������������������98 Creating the file structure����������������������������������������������������������������������������101 vii Table of ConTenTs Structuring our node �����������������������������������������������������������������������������������������102 Delegating responsibilities ��������������������������������������������������������������������������102 The server module ��������������������������������������������������������������������������������������������105 The blockchain module �������������������������������������������������������������������������������������111 The connections module �����������������������������������������������������������������������������������115 The peers module ���������������������������������������������������������������������������������������������118 Messaging ���������������������������������������������������������������������������������������������������������125 Using Marshmallow to validate our messages ��������������������������������������������128 Implementing and validating types �������������������������������������������������������������130 Defining the messages (and their schema) �������������������������������������������������133 Bringing it all together ��������������������������������������������������������������������������������������139 Finding your external IP address �����������������������������������������������������������������139 Chapter 8: Comparisons to Real- World Decentralized Networks �����143 Why blockchain engineering is hard �����������������������������������������������������������������143 The shortcomings of funcoin ����������������������������������������������������������������������������147 The networking layer �����������������������������������������������������������������������������������148 Data persistence������������������������������������������������������������������������������������������156 Alternative consensus: Proof of stake ���������������������������������������������������������������157 Smart contracts ������������������������������������������������������������������������������������������������158 What does a smart contract look like? ��������������������������������������������������������160 Appendix A: Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System by Satoshi Nakamoto �����������������������������������������������������������167 A bstract �������������������������������������������������������������������������������������������������������������167 Introduction �������������������������������������������������������������������������������������������������������168 Transactions ������������������������������������������������������������������������������������������������������169 Timestamp Server ���������������������������������������������������������������������������������������������170 viii Table of ConTenTs Proof-of-Work ���������������������������������������������������������������������������������������������������171 Network ������������������������������������������������������������������������������������������������������������172 Incentive �����������������������������������������������������������������������������������������������������������173 Reclaiming Disk Space �������������������������������������������������������������������������������������174 Simplified Payment Verification ������������������������������������������������������������������������175 Combining and Splitting Value ��������������������������������������������������������������������������176 Privacy ��������������������������������������������������������������������������������������������������������������176 Calculations ������������������������������������������������������������������������������������������������������177 Conclusion ��������������������������������������������������������������������������������������������������������181 References ��������������������������������������������������������������������������������������������������������182 Index �������������������������������������������������������������������������������������������������183 ix About the Author Daniel van Flymen is currently a Director of Engineering at Candid in New York City. As a seasoned Python veteran, he’s a regular code contributor to popular open source projects and is a guest on the Software Engineering Daily podcast, having been on popular episodes such as Understanding Bitcoin Transactions and Blockchain Engineering. He frequently writes on Medium.com and has a number of popular articles, such as “Learn Blockchains by Building One” and “Learn Blockchains Using Spreadsheets”—he is passionate about increasing Bitcoin adoption because he believes it’s the future. xi