golang 实现区块链(Bitcoin)系列2 – 工作量证明

这篇文章主要介绍了golang 实现区块链(Bitcoin)系列2 – 工作量证明 ,文中通过代码以及文档配合进行讲解,很详细,它对在座的每个人的研究和工作具有很经典的参考价值。 如果需要,让我们与区块链资料网一起学习。

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golang 实现区块链(Bitcoin)系列2 – 工作量证明是很好的区块链资料,他说明了区块链当中的经典原理,可以给我们提供资料,golang 实现区块链(Bitcoin)系列2 – 工作量证明学习起来其实是很简单的,

不多的几个较为抽象的概念也很容易理解,之所以很多人感觉golang 实现区块链(Bitcoin)系列2 – 工作量证明比较复杂,一方面是因为大多数的文档没有做到由浅入深地讲解,概念上没有注意先后顺序,给读者的理解带来困难

golang 实现区块链blockchain(Bitcoin)系列2 – 工作量证明

用 golang 从零开始构建简易的区块链blockchain,这是系列文章的第二篇 : 实现工作量证明。

本系列文章:

golang 实现区块链blockchain(Bitcoin)系列 1 – 基本原型
golang 实现区块链blockchain(Bitcoin)系列 2 – 工作量证明
golang 实现区块链blockchain(Bitcoin)系列 3 – 持久化和命令行接口
golang 实现区块链blockchain(Bitcoin)系列 4 – 交易(1)
golang 实现区块链blockchain(Bitcoin)系列 5 – 地址 golang实现区块链blockchain(Bitcoin)系列6 – 交易(2) golang实现区块链blockchain(Bitcoin)系列7 – 网络


在上一篇,我们构造了一个非常简单的数据结构 — 区块,它也是整个区块链blockchain数据库的核心。目前所完成的区块链blockchain原型,已经可以通过链式关系把区块相互关联起来:每个块都与前一个块相关联。

但是,当前实现的区块链blockchain有一个巨大的缺陷:向链中加入区块太容易,也太廉价了。而区块链blockchainBTC的其中一个核心就是,要想加入新的区块,必须先完成一些非常困难的工作。在本文,我们将会弥补这个缺陷。

工作量证明

区块链blockchain的一个关键点就是,一个人必须经过一系列困难的工作,才能将数据放入到区块链blockchain中。正是由于这种困难的工作,才保证了区块链blockchain的安全和一致。此外,完成这个工作的人,也会获得相应奖励(这也就是通过挖矿获得币)。

这个机制与生活现象非常类似:一个人必须通过努力工作,才能够获得回报或者奖励,用以支撑他们的生活。在区块链blockchain中,是通过网络中的参与者(矿工)不断的工作来支撑起了整个网络。矿工不断地向区块链blockchain中加入新块,然后获得相应的奖励。在这种机制的作用下,新生成的区块能够被安全地加入到区块链blockchain中,它维护了整个区块链blockchain数据库的稳定性。值得注意的是,完成了这个工作的人必须要证明这一点,即他必须要证明他的确完成了这些工作。

整个 “努力工作并进行证明” 的机制,就叫做工作量证明(proof-of-work)。要想完成工作非常地不容易,因为这需要大量的计算能力:即便是高性能计算机,也无法在短时间内快速完成。另外,这个工作的困难度会随着时间不断增长,以保持每 10 分钟出 1 个新块的速度。BTC中,这个工作就是找到一个块的哈希,同时这个哈希满足了一些必要条件。这个哈希,也就充当了证明的角色。因此,寻求证明(寻找有效哈希),就是矿工实际要做的事情。

哈希计算

在本节,我们会讨论哈希计算。如果你已经熟悉了这个概念,可以直接跳过。

获得指定数据的一个哈希值的过程,就叫做哈希计算。一个哈希,就是对所计算数据的一个唯一表示。对于一个哈希函数,输入任意大小的数据,它会输出一个固定大小的哈希值。下面是哈希的几个关键特性:

  1. 无法从一个哈希值恢复原始数据。也就是说,哈希并不是加密。
  2. 对于特定的数据,只能有一个哈希,并且这个哈希是唯一的。
  3. 即使是仅仅改变输入数据中的一个字节,也会导致输出一个完全不同的哈希。

golang 实现<a href=区块链blockchain(Bitcoin)系列2 – 工作量证明” />

哈希函数被广泛用于检测数据的一致性。软件提供者常常在除了提供软件包以外,还会发布校验和。当下载完一个文件以后,你可以用哈希函数对下载好的文件计算一个哈希,并与作者提供的哈希进行比较,以此来保证文件下载的完整性。

区块链blockchain中,哈希被用于保证一个块的一致性。哈希算法的输入数据包含了前一个块的哈希,因此使得不太可能(或者,至少很困难)去修改链中的一个块:因为如果一个人想要修改前面一个块的哈希,那么他必须要重新计算这个块以及后面所有块的哈希。

Hashcash

BTC使用 Hashcash ,一个最初用来防止垃圾邮件的工作量证明算法。它可以被分解为以下步骤:

  1. 取一些公开的数据(比如,如果是 email 的话,它可以是接收者的邮件地址;在BTC中,它是区块头)
  2. 给这个公开数据添加一个计数器。计数器默认从 0 开始
  3. data(数据)counter(计数器) 组合到一起,获得一个哈希
  4. 检查哈希是否符合一定的条件:
    1. 如果符合条件,结束
    2. 如果不符合,增加计数器,重复步骤 3-4

因此,这是一个暴力算法:改变计数器,计算新的哈希,检查,增加计数器,计算哈希,检查,如此往复。这也是为什么说它的计算成本很高,因为这一步需要如此反复不断地计算和检查。

现在,让我们来仔细看一下一个哈希要满足的必要条件。在原始的 Hashcash 实现中,它的要求是 “一个哈希的前 20 位必须是 0”。在BTC中,这个要求会随着时间而不断变化。因为按照设计,必须保证每 10 分钟生成一个块,而不论计算能力会随着时间增长,或者是会有越来越多的矿工进入网络,所以需要动态调整这个必要条件。

为了阐释这一算法,我从前一个例子(“I like donuts”)中取得数据,并且找到了一个前 3 个字节是全是 0 的哈希。

golang 实现<a href=区块链blockchain(Bitcoin)系列2 – 工作量证明” />

ca07ca 是计数器的 16 进制值,十进制的话是 13240266.

实现

好了,完成了理论层面,来动手写代码吧!首先,定义挖矿的难度值:

const targetBits = 24

BTC中,当一个块被挖出来以后,“target bits” 代表了区块头里存储的难度,也就是开头有多少个 0。这里的 24 指的是算出来的哈希前 24 位必须是 0,如果用 16 进制表示,就是前 6 位必须是 0,这一点从最后的输出可以看出来。目前我们并不会实现一个动态调整目标的算法,所以将难度定义为一个全局的常量即可。

24 其实是一个可以任意取的数字,其目的只是为了有一个目标(target)而已,这个目标占据不到 256 位的内存空间。同时,我们想要有足够的差异性,但是又不至于大的过分,因为差异性越大,就越难找到一个合适的哈希。

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

这里,我们构造了 ProofOfWork 结构,里面存储了指向一个块(block)和一个目标(target)的指针。这里的 “目标” ,也就是前一节中所描述的必要条件。这里使用了一个 大整数 ,我们会将哈希与目标进行比较:先把哈希转换成一个大整数,然后检测它是否小于目标。

NewProofOfWork 函数中,我们将 big.Int 初始化为 1,然后左移 256 - targetBits 位。256 是一个 SHA-256 哈希的位数,我们将要使用的是 SHA-256 哈希算法。target(目标) 的 16 进制形式为:

0x10000000000000000000000000000000000000000000000000000000000

它在内存上占据了 29 个字节。下面是与前面例子哈希的形式化比较:

0fac49161af82ed938add1d8725835cc123a1a87b1b196488360e58d4bfb51e3 0000010000000000000000000000000000000000000000000000000000000000 0000008b0f41ec78bab747864db66bcb9fb89920ee75f43fdaaeb5544f7f76ca

第一个哈希(基于 “I like donuts” 计算)比目标要大,因此它并不是一个有效的工作量证明。第二个哈希(基于 “I like donutsca07ca” 计算)比目标要小,所以是一个有效的证明。

译者注:上面的形式化比较有些“言不符实”,其实它应该并非由 “I like donuts” 而来,但是原文表达的意思是没问题的,可能是疏忽而已。下面是我做的一个小实验:

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

输出:

golang 实现<a href=区块链blockchain(Bitcoin)系列2 – 工作量证明” />

你可以把目标想象为一个范围的上界:如果一个数(由哈希转换而来)比上界要小,那么是有效的,反之无效。因为要求比上界要小,所以会导致有效数字并不会很多。因此,也就需要通过一些困难的工作(一系列反复地计算),才能找到一个有效的数字。

现在,我们需要有数据来进行哈希,准备数据:

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 }

这个部分比较直观:只需要将 target ,nonce 与 Block 进行合并。这里的 nonce,就是上面 Hashcash 所提到的计数器,它是一个密码学术语。

很好,到这里,所有的准备工作就完成了,下面来实现 PoW 算法的核心:

func (pow *ProofOfWork) Run() (int, []byte) {     var hashInt big.Int     var hash [32]byte     nonce := 0      fmt.Printf("Mining the block containing "%s"n", pow.block.Data)     for nonce &lt; 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("nn")      return nonce, hash[:] }

首先我们对变量进行初始化:

  • HashInthash 的整形表示;
  • nonce 是计数器。

然后开始一个 “无限” 循环:maxNonce 对这个循环进行了限制, 它等于 math.MaxInt64,这是为了避免 nonce 可能出现的溢出。尽管我们 PoW 的难度很小,以至于计数器其实不太可能会溢出,但最好还是以防万一检查一下。

在这个循环中,我们做的事情有:

  1. 准备数据
  2. 用 SHA-256 对数据进行哈希
  3. 将哈希转换成一个大整数
  4. 将这个大整数与目标进行比较

跟之前所讲的一样简单。现在我们可以移除 BlockSetHash 方法,然后修改 NewBlock 函数:

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 = nonce      return block }

在这里,你可以看到 nonce 被保存为 Block 的一个属性。这是十分有必要的,因为待会儿我们对这个工作量进行验证时会用到 nonceBlock 结构现在看起来像是这样:

type Block struct {     Timestamp     int64     Data          []byte     PrevBlockHash []byte     Hash          []byte     Nonce         int }

好了!现在让我们来运行一下是否正常工作:

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

成功了!你可以看到每个哈希都是 3 个字节的 0 开始,并且获得这些哈希需要花费一些时间。

还剩下一件事情需要做,对工作量证明进行验证:

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

这里,就是我们就用到了上面保存的 nonce

再来检测一次是否正常工作:

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

输出:

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

从下图可以看出,这次我们产生三个块花费了一分多钟,比没有工作量证明之前慢了很多(也就是成本高了很多):

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总结

我们离真正的区块链blockchain又进了一步:现在需要经过一些困难的工作才能加入新的块,因此挖矿就有可能了。但是,它仍然缺少一些至关重要的特性:区块链blockchain数据库并不是持久化的,没有钱包,地址,交易,也没有共识机制。不过,所有的这些,我们都会在接下来的文章中实现,现在,愉快地挖矿吧!

参考文章:

  • Full source codes

  • Blockchain hashing algorithm

  • Proof of work

  • Hashcash

  • Building Blockchain in Go. Part 2: Proof-of-Work

  • part_2


源码:https://github.com/Jeiwan/blockchain_go 转自: https://github.com/liuchengxu/blockchain-tutorial

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