cryptos - 纯Python实现的比特币教育项目，展示SHA-256加密等细节

cryptos项目

cryptos项目是一个由个人开发的纯Python零依赖实现的比特币项目，主要用于教育目的。该项目涵盖了比特币背后的所有加密原理，如SHA-256散列算法和有限域上的椭圆曲线数学。以下是cryptos项目的详细介绍：

SHA-256

cryptos项目实现了一个纯Python版本的SHA-256，并严格遵循NIST FIPS 180-4规格。在cryptos/sha256.py文件中可以找到相关代码。由于是从头开始的纯Python实现，这个SHA-256的速度较慢，只适用于教育用途。示例使用方法如下：

$ echo "some test file lol" > testfile.txt
$ shasum -a 256 testfile.txt
4a79aed64097a0cd9e87f1e88e9ad771ddb5c5d762b3c3bbf02adf3112d5d375
$ python -m cryptos.sha256 testfile.txt
4a79aed64097a0cd9e87f1e88e9ad771ddb5c5d762b3c3bbf02adf3112d5d375

密钥

cryptos项目提供了getnewaddress.py这个CLI工具，可以生成一个新的比特币秘密/公钥对及其对应的压缩地址（base58check格式）。示例使用方法如下：

$ python getnewaddress.py
generated secret key:
0xc322622e6a0033bb93ff666753f77cc8b819d274d9edea007b7e4b2af4caf025
corresponding public key:
x: 5B9D87FE091D52EA4CD49EA5CEFDD8C099DF7E6CCF510A9A94C763DE38C575D5
y: 6049637B3683076C5568EC723CF7D38FD603B88447180829BBB508C554EEA413
compressed bitcoin address (b58check format):
1DBGfUXnwTS2PRu8h3JefU9uYwYnyaTd2z

数字签名

项目中还实现了椭圆曲线数字签名算法（ECDSA），相关代码在cryptos/ecdsa.py中。示例使用方法如下：

>>> from cryptos.keys import gen_key_pair
>>> from cryptos.ecdsa import sign, verify
>>> sk1, pk1 = gen_key_pair()
>>> sk2, pk2 = gen_key_pair()
>>> message = ('pk1 wants to pay pk2 1 BTC').encode('ascii')
>>> sig = sign(sk1, message)
>>> verify(pk1, message, sig)
True
>>> verify(pk2, message, sig)
False

交易

cryptos项目能够解析和实例化比特币交易对象，支持传统交易和隔离见证交易。以下是解析一个传统交易的示例：

>>> from cryptos.transaction import Tx
>>> from io import BytesIO

>>> raw = bytes.fromhex('0100000001813...')
>>> tx = Tx.parse(BytesIO(raw))
>>> tx

Tx(...内容省略...)

通过这些代码，可以验证该交易是否符合比特币协议并且在加密上是真实的：

>>> tx.validate()
True

区块

在cryptos/block.py文件中可以找到区块类、相关函数和实用工具。

轻量级节点

cryptos项目还实现了一个轻量级的比特币节点，可以使用Python的sockets库连接其他节点，并执行版本握手以及请求区块头等功能。以下是验证前40000个区块头部的示例：

from io import BytesIO
from cryptos.block import Block, GENESIS_BLOCK
from cryptos.network import SimpleNode, GetHeadersMessage, HeadersMessage

previous = Block.decode(BytesIO(GENESIS_BLOCK['main']))

node = SimpleNode(
    host='mainnet.programmingbitcoin.com',
    net='main',
)
node.handshake()

blocks = [previous]
for _ in range(20):
    getheaders = GetHeadersMessage(start_block=bytes.fromhex(previous.id()))
    node.send(getheaders)
    headers = node.wait_for(HeadersMessage)
    blocks.extend(headers.blocks)
    previous = headers.blocks[-1]
    print(f"received another batch of blocks, now have {len(blocks)}")

node.close()

for i, block in enumerate(blocks):
    assert block.validate()
    prev = blocks[i - 1]
    expected_prev_block = b'\x00'*32 if i == 0 else bytes.fromhex(prev.id())
    assert block.prev_block == expected_prev_block
    if i % 2016 == 0:
        if i == 0:
            expected_bits = bytes.fromhex('ffff001d')

通过这个过程，可以部分验证区块链的完整性。

cryptos项目提供了一个简单且有效的方式来理解比特币及其基础的加密技术，适合对比特币技术有兴趣的学习者深入研究和实践。