工作量證明

在上一節(jié)，我們構(gòu)造了一個(gè)非常簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) – 區(qū)塊，它也是整個(gè)區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)庫(kù)的核心。目前所完成的區(qū)塊鏈原型，已經(jīng)可以通過(guò)鏈?zhǔn)疥P(guān)系把區(qū)塊相互關(guān)聯(lián)起來(lái)：每個(gè)塊都與前一個(gè)塊相關(guān)聯(lián)。

但是，當(dāng)前實(shí)現(xiàn)的區(qū)塊鏈有一個(gè)巨大的缺陷：向鏈中加入?yún)^(qū)塊太容易，也太廉價(jià)了。而區(qū)塊鏈和比特幣的其中一個(gè)核心就是，要想加入新的區(qū)塊，必須先完成一些非常困難的工作。在本文，我們將會(huì)彌補(bǔ)這個(gè)缺陷。

工作量證明
區(qū)塊鏈的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)就是，一個(gè)人必須經(jīng)過(guò)一系列困難的工作，才能將數(shù)據(jù)放入到區(qū)塊鏈中。正是由于這種困難的工作，才保證了區(qū)塊鏈的安全和一致。此外，完成這個(gè)工作的人，也會(huì)獲得相應(yīng)獎(jiǎng)勵(lì)（這也就是通過(guò)挖礦獲得幣）。

這個(gè)機(jī)制與生活現(xiàn)象非常類似：一個(gè)人必須通過(guò)努力工作，才能夠獲得回報(bào)或者獎(jiǎng)勵(lì)，用以支撐他們的生活。在區(qū)塊鏈中，是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)中的參與者（礦工）不斷的工作來(lái)支撐起了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。礦工不斷地向區(qū)塊鏈中加入新塊，然后獲得相應(yīng)的獎(jiǎng)勵(lì)。在這種機(jī)制的作用下，新生成的區(qū)塊能夠被安全地加入到區(qū)塊鏈中，它維護(hù)了整個(gè)區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)庫(kù)的穩(wěn)定性。值得注意的是，完成了這個(gè)工作的人必須要證明這一點(diǎn)，即他必須要證明他的確完成了這些工作。

整個(gè) “努力工作并進(jìn)行證明” 的機(jī)制，就叫做工作量證明（proof-of-work）。要想完成工作非常地不容易，因?yàn)檫@需要大量的計(jì)算能力：即便是高性能計(jì)算機(jī)，也無(wú)法在短時(shí)間內(nèi)快速完成。另外，這個(gè)工作的困難度會(huì)隨著時(shí)間不斷增長(zhǎng)，以保持每 10 分鐘出 1 個(gè)新塊的速度。在比特幣中，這個(gè)工作就是找到一個(gè)塊的哈希，同時(shí)這個(gè)哈希滿足了一些必要條件。這個(gè)哈希，也就充當(dāng)了證明的角色。因此，尋求證明（尋找有效哈希），就是礦工實(shí)際要做的事情。

哈希計(jì)算
在本節(jié)，我們會(huì)討論哈希計(jì)算。如果你已經(jīng)熟悉了這個(gè)概念，可以直接跳過(guò)。

獲得指定數(shù)據(jù)的一個(gè)哈希值的過(guò)程，就叫做哈希計(jì)算。一個(gè)哈希，就是對(duì)所計(jì)算數(shù)據(jù)的一個(gè)唯一表示。對(duì)于一個(gè)哈希函數(shù)，輸入任意大小的數(shù)據(jù)，它會(huì)輸出一個(gè)固定大小的哈希值。

1、無(wú)法從一個(gè)哈希值恢復(fù)原始數(shù)據(jù)。也就是說(shuō)，哈希并不是加密。
2、對(duì)于特定的數(shù)據(jù)，只能有一個(gè)哈希，并且這個(gè)哈希是唯一的。
3、即使是僅僅改變輸入數(shù)據(jù)中的一個(gè)字節(jié)，也會(huì)導(dǎo)致輸出一個(gè)完全不同的哈希。

哈希函數(shù)被廣泛用于檢測(cè)數(shù)據(jù)的一致性。軟件提供者常常在除了提供軟件包以外，還會(huì)發(fā)布校驗(yàn)和。當(dāng)下載完一個(gè)文件以后，你可以用哈希函數(shù)對(duì)下載好的文件計(jì)算一個(gè)哈希，并與作者提供的哈希進(jìn)行比較，以此來(lái)保證文件下載的完整性。

在區(qū)塊鏈中，哈希被用于保證一個(gè)塊的一致性。哈希算法的輸入數(shù)據(jù)包含了前一個(gè)塊的哈希，因此使得不太可能（或者，至少很困難）去修改鏈中的一個(gè)塊：因?yàn)槿绻粋€(gè)人想要修改前面一個(gè)塊的哈希，那么他必須要重新計(jì)算這個(gè)塊以及后面所有塊的哈希。

Hashcash
比特幣使用 Hashcash ，一個(gè)最初用來(lái)防止垃圾郵件的工作量證明算法。它可以被分解為以下步驟：

1、取一些公開(kāi)的數(shù)據(jù)（比如，如果是 email 的話，它可以是接收者的郵件地址；在比特幣中，它是區(qū)塊頭）
2、給這個(gè)公開(kāi)數(shù)據(jù)添加一個(gè)計(jì)數(shù)器。計(jì)數(shù)器默認(rèn)從 0 開(kāi)始
3、將 data(數(shù)據(jù)) 和 counter(計(jì)數(shù)器) 組合到一起，獲得一個(gè)哈希
4、檢查哈希是否符合一定的條件：
4.1、如果符合條件，結(jié)束
4.2、如果不符合，增加計(jì)數(shù)器，重復(fù)步驟 3-4
因此，這是一個(gè)暴力算法：改變計(jì)數(shù)器，計(jì)算新的哈希，檢查，增加計(jì)數(shù)器，計(jì)算哈希，檢查，如此往復(fù)。這也是為什么說(shuō)它的計(jì)算成本很高，因?yàn)檫@一步需要如此反復(fù)不斷地計(jì)算和檢查。

現(xiàn)在，讓我們來(lái)仔細(xì)看一下一個(gè)哈希要滿足的必要條件。在原始的 Hashcash 實(shí)現(xiàn)中，它的要求是 “一個(gè)哈希的前 20 位必須是 0”。在比特幣中，這個(gè)要求會(huì)隨著時(shí)間而不斷變化。因?yàn)榘凑赵O(shè)計(jì)，必須保證每 10 分鐘生成一個(gè)塊，而不論計(jì)算能力會(huì)隨著時(shí)間增長(zhǎng)，或者是會(huì)有越來(lái)越多的礦工進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)，所以需要?jiǎng)討B(tài)調(diào)整這個(gè)必要條件。

為了闡釋這一算法，我從前一個(gè)例子（“I like donuts”）中取得數(shù)據(jù)，并且找到了一個(gè)前 3 個(gè)字節(jié)是全是 0 的哈希。

ca07ca 是計(jì)數(shù)器的 16 進(jìn)制值，十進(jìn)制的話是 13240266.

實(shí)現(xiàn)
好了，完成了理論層面，來(lái)動(dòng)手寫代碼吧！首先，定義挖礦的難度值：

const targetBits = 24

在比特幣中，當(dāng)一個(gè)塊被挖出來(lái)以后，“target bits” 代表了區(qū)塊頭里存儲(chǔ)的難度，也就是開(kāi)頭有多少個(gè) 0。這里的 24 指的是算出來(lái)的哈希前 24 位必須是 0，如果用 16 進(jìn)制表示，就是前 6 位必須是 0，這一點(diǎn)從最后的輸出可以看出來(lái)。目前我們并不會(huì)實(shí)現(xiàn)一個(gè)動(dòng)態(tài)調(diào)整目標(biāo)的算法，所以將難度定義為一個(gè)全局的常量即可。

24 其實(shí)是一個(gè)可以任意取的數(shù)字，其目的只是為了有一個(gè)目標(biāo)（target）而已，這個(gè)目標(biāo)占據(jù)不到 256 位的內(nèi)存空間。同時(shí)，我們想要有足夠的差異性，但是又不至于大的過(guò)分，因?yàn)椴町愋栽酱?#xff0c;就越難找到一個(gè)合適的哈希。

type ProofOfWork struct {block *Blocktarget *big.Int }func NewProofOfWork(b *Block) *ProofOfWork {target := big.NewInt(1)target.Lsh(target, uint(256-targetBits))pow := &ProofOfWork{b, target}return pow }

這里，我們構(gòu)造了 ProofOfWork 結(jié)構(gòu)，里面存儲(chǔ)了指向一個(gè)塊(block)和一個(gè)目標(biāo)(target)的指針。這里的 “目標(biāo)” ，也就是前一節(jié)中所描述的必要條件。這里使用了一個(gè) 大整數(shù) ，我們會(huì)將哈希與目標(biāo)進(jìn)行比較：先把哈希轉(zhuǎn)換成一個(gè)大整數(shù)，然后檢測(cè)它是否小于目標(biāo)。

在 NewProofOfWork 函數(shù)中，我們將 big.Int 初始化為 1，然后左移 256 - targetBits 位。256 是一個(gè) SHA-256 哈希的位數(shù)，我們將要使用的是 SHA-256 哈希算法。target（目標(biāo)） 的 16 進(jìn)制形式為：

0x10000000000000000000000000000000000000000000000000000000000

它在內(nèi)存上占據(jù)了 29 個(gè)字節(jié)。下面是與前面例子哈希的形式化比較：

0fac49161af82ed938add1d8725835cc123a1a87b1b196488360e58d4bfb51e3 0000010000000000000000000000000000000000000000000000000000000000 0000008b0f41ec78bab747864db66bcb9fb89920ee75f43fdaaeb5544f7f76ca

第一個(gè)哈希（基于 “I like donuts” 計(jì)算）比目標(biāo)要大，因此它并不是一個(gè)有效的工作量證明。第二個(gè)哈希（基于 “I like donutsca07ca” 計(jì)算）比目標(biāo)要小，所以是一個(gè)有效的證明。

譯者注：上面的形式化比較有些“言不符實(shí)”，其實(shí)它應(yīng)該并非由 “I like donuts” 而來(lái)，但是原文表達(dá)的意思是沒(méi)問(wèn)題的，可能是疏忽而已。下面是我做的一個(gè)小實(shí)驗(yàn)：

package mainimport ("crypto/sha256""fmt""math/big" )func main() {data1 := []byte("I like donuts")data2 := []byte("I like donutsca07ca")targetBits := 24target := big.NewInt(1)target.Lsh(target, uint(256-targetBits))fmt.Printf("%x\n", sha256.Sum256(data1))fmt.Printf("%64x\n", target)fmt.Printf("%x\n", sha256.Sum256(data2))}

輸出：

experiment

你可以把目標(biāo)想象為一個(gè)范圍的上界：如果一個(gè)數(shù)（由哈希轉(zhuǎn)換而來(lái)）比上界要小，那么是有效的，反之無(wú)效。因?yàn)橐蟊壬辖缫?#xff0c;所以會(huì)導(dǎo)致有效數(shù)字并不會(huì)很多。因此，也就需要通過(guò)一些困難的工作（一系列反復(fù)地計(jì)算），才能找到一個(gè)有效的數(shù)字。

現(xiàn)在，我們需要有數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行哈希，準(zhǔn)備數(shù)據(jù)：

func (pow *ProofOfWork) prepareData(nonce int) []byte {data := bytes.Join([][]byte{pow.block.PrevBlockHash,pow.block.Data,IntToHex(pow.block.Timestamp),IntToHex(int64(targetBits)),IntToHex(int64(nonce)),},[]byte{},)return data }

這個(gè)部分比較直觀：只需要將 target ，nonce 與 Block 進(jìn)行合并。這里的 nonce，就是上面 Hashcash 所提到的計(jì)數(shù)器，它是一個(gè)密碼學(xué)術(shù)語(yǔ)。

很好，到這里，所有的準(zhǔn)備工作就完成了，下面來(lái)實(shí)現(xiàn) PoW 算法的核心：

func (pow *ProofOfWork) Run() (int, []byte) {var hashInt big.Intvar hash [32]bytenonce := 0fmt.Printf("Mining the block containing \"%s\"\n", pow.block.Data)for nonce < maxNonce {data := pow.prepareData(nonce)hash = sha256.Sum256(data)hashInt.SetBytes(hash[:])if hashInt.Cmp(pow.target) == -1 {fmt.Printf("\r%x", hash)break} else {nonce++}}fmt.Print("\n\n")return nonce, hash[:] }

首先我們對(duì)變量進(jìn)行初始化：

HashInt 是 hash 的整形表示；
nonce 是計(jì)數(shù)器。
然后開(kāi)始一個(gè) “無(wú)限” 循環(huán)：maxNonce 對(duì)這個(gè)循環(huán)進(jìn)行了限制, 它等于 math.MaxInt64，這是為了避免 nonce 可能出現(xiàn)的溢出。盡管我們 PoW 的難度很小，以至于計(jì)數(shù)器其實(shí)不太可能會(huì)溢出，但最好還是以防萬(wàn)一檢查一下。

在這個(gè)循環(huán)中，我們做的事情有：

1、準(zhǔn)備數(shù)據(jù)
2、用 SHA-256 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行哈希
3、將哈希轉(zhuǎn)換成一個(gè)大整數(shù)
4、將這個(gè)大整數(shù)與目標(biāo)進(jìn)行比較

跟之前所講的一樣簡(jiǎn)單。現(xiàn)在我們可以移除 Block 的 SetHash 方法，然后修改 NewBlock 函數(shù)：

func NewBlock(data string, prevBlockHash []byte) *Block {block := &Block{time.Now().Unix(), []byte(data), prevBlockHash, []byte{}, 0}pow := NewProofOfWork(block)nonce, hash := pow.Run()block.Hash = hash[:]block.Nonce = noncereturn block }

在這里，你可以看到 nonce 被保存為 Block 的一個(gè)屬性。這是十分有必要的，因?yàn)榇龝?huì)兒我們對(duì)這個(gè)工作量進(jìn)行驗(yàn)證時(shí)會(huì)用到 nonce 。Block 結(jié)構(gòu)現(xiàn)在看起來(lái)像是這樣：

type Block struct {Timestamp int64Data []bytePrevBlockHash []byteHash []byteNonce int }

好了！現(xiàn)在讓我們來(lái)運(yùn)行一下是否正常工作：

Mining the block containing "Genesis Block" 00000041662c5fc2883535dc19ba8a33ac993b535da9899e593ff98e1eda56a1Mining the block containing "Send 1 BTC to Ivan" 00000077a856e697c69833d9effb6bdad54c730a98d674f73c0b30020cc82804Mining the block containing "Send 2 more BTC to Ivan" 000000b33185e927c9a989cc7d5aaaed739c56dad9fd9361dea558b9bfaf5fbePrev. hash: Data: Genesis Block Hash: 00000041662c5fc2883535dc19ba8a33ac993b535da9899e593ff98e1eda56a1Prev. hash: 00000041662c5fc2883535dc19ba8a33ac993b535da9899e593ff98e1eda56a1 Data: Send 1 BTC to Ivan Hash: 00000077a856e697c69833d9effb6bdad54c730a98d674f73c0b30020cc82804Prev. hash: 00000077a856e697c69833d9effb6bdad54c730a98d674f73c0b30020cc82804 Data: Send 2 more BTC to Ivan Hash: 000000b33185e927c9a989cc7d5aaaed739c56dad9fd9361dea558b9bfaf5fbe

成功了！你可以看到每個(gè)哈希都是 3 個(gè)字節(jié)的 0 開(kāi)始，并且獲得這些哈希需要花費(fèi)一些時(shí)間。

還剩下一件事情需要做，對(duì)工作量證明進(jìn)行驗(yàn)證：

func (pow *ProofOfWork) Validate() bool {var hashInt big.Intdata := pow.prepareData(pow.block.Nonce)hash := sha256.Sum256(data)hashInt.SetBytes(hash[:])isValid := hashInt.Cmp(pow.target) == -1return isValid }

這里，就是我們就用到了上面保存的 nonce。

再來(lái)檢測(cè)一次是否正常工作：

func main() {...for _, block := range bc.blocks {...pow := NewProofOfWork(block)fmt.Printf("PoW: %s\n", strconv.FormatBool(pow.Validate()))fmt.Println()} }

輸出：

Prev. hash: Data: Genesis Block Hash: 00000093253acb814afb942e652a84a8f245069a67b5eaa709df8ac612075038 PoW: truePrev. hash: 00000093253acb814afb942e652a84a8f245069a67b5eaa709df8ac612075038 Data: Send 1 BTC to Ivan Hash: 0000003eeb3743ee42020e4a15262fd110a72823d804ce8e49643b5fd9d1062b PoW: truePrev. hash: 0000003eeb3743ee42020e4a15262fd110a72823d804ce8e49643b5fd9d1062b Data: Send 2 more BTC to Ivan Hash: 000000e42afddf57a3daa11b43b2e0923f23e894f96d1f24bfd9b8d2d494c57a PoW: true

從下圖可以看出，這次我們產(chǎn)生三個(gè)塊花費(fèi)了一分多鐘，比沒(méi)有工作量證明之前慢了很多（也就是成本高了很多）：

總結(jié)
我們離真正的區(qū)塊鏈又進(jìn)了一步：現(xiàn)在需要經(jīng)過(guò)一些困難的工作才能加入新的塊，因此挖礦就有可能了。但是，它仍然缺少一些至關(guān)重要的特性：區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)庫(kù)并不是持久化的，沒(méi)有錢包，地址，交易，也沒(méi)有共識(shí)機(jī)制。不過(guò)，所有的這些，我們都會(huì)在接下來(lái)的文章中實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)在，愉快地挖礦吧！

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的用Go语言建立一个简单的区块链part2:Pow共识的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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