在上一篇分享中，我們定義了一個(gè)非常簡單的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，雖然簡單但是我們已經(jīng)可以看出區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)庫的雛形。通過代碼實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)建區(qū)塊鏈以及如何將區(qū)塊添加到區(qū)塊鏈中，區(qū)塊鏈中每個(gè)區(qū)塊都通過 hash 指針連接到前一個(gè)區(qū)塊。這樣將區(qū)塊一個(gè)一個(gè)連接起來。但是實(shí)際上我們都知道區(qū)塊鏈出塊并沒有那么容易。
區(qū)塊鏈設(shè)計(jì)的一個(gè)巧妙之處，人們必須進(jìn)行一些工作才能將區(qū)塊添加到區(qū)塊鏈中。正是這些艱苦的工作，也就是我們熟知的挖礦，才為區(qū)塊鏈安全性和一致性提供保證。而且這項(xiàng)具有一定難度的挖礦工作也會(huì)得到回報(bào)（通過挖礦獎(jiǎng)勵(lì)礦工會(huì)得到一定額度的比特幣）。
因?yàn)橛辛送诘V具有一定難度，這樣將出塊時(shí)間限制在 10 分鐘左右，為什么這樣做可以保證區(qū)塊鏈的安全性。如果出塊太快，這樣就很容易造成區(qū)塊鏈具有多個(gè)分叉。在區(qū)塊鏈中認(rèn)為大部分算力是掌握在大多數(shù)誠實(shí)可靠的礦工，但是出現(xiàn)大量分支就削弱了大多數(shù)礦工的算力，惡意節(jié)點(diǎn)就有機(jī)會(huì)。
這一機(jī)制設(shè)計(jì)與現(xiàn)實(shí)生活中的非常相似：一個(gè)人必須通過努力工作才能獲得回報(bào)，過上好日子。在區(qū)塊鏈中，網(wǎng)絡(luò)中的一些節(jié)點(diǎn)（礦工）努力維持網(wǎng)絡(luò)，為區(qū)塊鏈添加新的區(qū)塊，因此獲得獎(jiǎng)勵(lì)，這種獎(jiǎng)勵(lì)同時(shí)也是區(qū)塊鏈法幣方式。由于他們的工作，一個(gè)區(qū)塊以安全的方式并入?yún)^(qū)塊鏈，從而保持整個(gè)區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)庫的穩(wěn)定性。值得注意的是，完成這項(xiàng)工作的人必須證明這一點(diǎn)。
工作量證明也是 hash 密切相關(guān)的，所以在開始之前我們回顧一下 hash 一些特征。hash 運(yùn)算是計(jì)算給定數(shù)據(jù)的 hash 值的過程。hash 運(yùn)算可以將任意大小的數(shù)據(jù)通過 hash 函數(shù)生成一個(gè)固定大小 hash 值。以下是 hash 的一些特性：
- hash 值無法進(jìn)行逆運(yùn)算反推出原始值
- hash 值具有唯一性
- 原始數(shù)據(jù)一點(diǎn)點(diǎn)改動(dòng)都會(huì)導(dǎo)致計(jì)算出 hash 值面目全非
hash 函數(shù)主要用于檢查數(shù)據(jù)的一致性。除了軟件包外，下載文件，可以通過對(duì)比 hash 值可以堅(jiān)持下載文件是否和源文件一致。
比特幣使用 Hashcash，這是一種工作證明算法，最初是為了防止電子郵件垃圾郵件而開發(fā)的?？梢苑譃橐韵虏襟E：
- 獲取一些公開的數(shù)據(jù)（對(duì)于電子郵件，這些公開數(shù)據(jù)是收件人的電子郵件地址，而對(duì)于比特幣，是區(qū)塊頭）
- 在上面加一個(gè)計(jì)數(shù)器(隨機(jī)數(shù))，計(jì)數(shù)器從 0 開始，就是在公開數(shù)據(jù)添加一個(gè)隨機(jī)數(shù)
- 計(jì)算這個(gè)公開數(shù)據(jù)+計(jì)數(shù)器組合的 hash 值
- 然后檢查 hash 是否滿足某些要求。
- 如果滿足這些要求，任務(wù)就結(jié)束否則增加隨機(jī)數(shù)來重新計(jì)算 hash 值也就是
如果沒有，增加計(jì)數(shù)器并重復(fù)步驟3和4。
因?yàn)?hash 具有以上我們提及特性，所以這是一個(gè)蠻力算法，沒有捷徑，需要一次一次調(diào)整隨機(jī)數(shù)然后計(jì)算 hash 值，所以需要計(jì)算一定成本。
那么在區(qū)塊鏈?zhǔn)侵腥绾斡?jì)算 hash 來滿足的什么樣的需求呢? 通過調(diào)整隨機(jī)數(shù)然后計(jì)算出一個(gè)在一定范圍內(nèi)的 hash 值。
目標(biāo)值
就不斷地嘗試給出不同 nonce 值，使得 hash 小于等于給定閾值(target)。
target 就是閾值，target 越小挖礦難度就越大。其實(shí)調(diào)整挖礦難度就是調(diào)整目標(biāo)空間在整個(gè)輸出空間所占的比例。比特幣采用hash 算法是 SHA-256，那么輸出空間就是。是通過 hash 值中前多少位為 0 來控制目標(biāo)空間的大小。所以要計(jì)算出小于目標(biāo)值，就需要保證計(jì)算出hash 值前幾位為 0。
挖礦難度與目標(biāo)之的關(guān)系
- frac{difficulty 1 target:表示挖礦難度等于 1 時(shí)所對(duì)應(yīng)的目標(biāo)閾值，挖礦難度最小就是 1 ，所以為 1 時(shí)對(duì)應(yīng)挖礦難度是非常大的數(shù)。
- 所謂挖礦難度與目標(biāo)閾值成反比
挖礦難度必要性
在比特幣系統(tǒng)通過調(diào)整挖礦難度來保證出塊的時(shí)間，出塊的間隔為 10 分鐘一個(gè)區(qū)塊。出塊時(shí)間間隔過短就很容易出現(xiàn)分叉。
比特幣系統(tǒng)假設(shè)大部分算力是掌握在誠實(shí)礦工手上。系統(tǒng)算力越強(qiáng)安全性就越好，這是因?yàn)橄胍l(fā)動(dòng) 51% 以上攻擊就需要算力越大。也就是惡意節(jié)點(diǎn)
const Difficulty = 12
在比特幣中，Difficult(target) 是保存在區(qū)塊頭中，存儲(chǔ)塊被挖掘的難度。我們暫時(shí)不會(huì)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)調(diào)整算法，所以我們可以將難度定義為全局常數(shù)。
定義工作量證明結(jié)構(gòu)
type ProofOfWork struct {
Block *Block
Target *big.Int
}
- Block 區(qū)塊
- Target 目標(biāo)閾值
定義創(chuàng)建工作量證明方法
func NewProof(b *Block) *ProofOfWork {
target := big.NewInt(1)
target.Lsh(target, uint(256-Difficulty))
pow := &ProofOfWork{b, target}
return pow
}
這里 Difficulty 是暫時(shí)隨意定義數(shù)值 12，目標(biāo)值是有一個(gè)在內(nèi)存中占用少于 256 位的 target。我們希望 Difficutly 足夠大因?yàn)橐刂?10 分鐘出一個(gè)快，但 Difficulty 又不能太大，就越難找到合適的 hash 值。
現(xiàn)在創(chuàng)建一個(gè) ProofOfWork 結(jié)構(gòu)體，在結(jié)構(gòu)體中會(huì)包含一個(gè)區(qū)塊的指針和一個(gè)指向 Difficult (類型為 big.Int)的指針。Diffuclty 是前面前一段所述要求的另一個(gè)名稱。我們使用大整數(shù)是因?yàn)槲覀儗?hash 與目標(biāo)(目標(biāo)值)進(jìn)行比較的方式：我們將哈希轉(zhuǎn)換為大整數(shù)，并檢查它是否小于目標(biāo)值。
在 NewProofOfWork 函數(shù)中，初始化類型為 big.Int 值為 1 的變量，并將其左移 256 - targetBits 位。256 是 SHA-256 哈希的長度（以bit為單位），將使用 SHA-256 hash 算法。Diffculty 的十六進(jìn)制(hexadecimal )表示為：
func main() {
Difficulty := 200
target := big.NewInt(1)
target.Lsh(target, uint(256-Difficulty))
fmt.Printf("target: %d", target)
}
target: 72057594037927936
7205-7594-0379-27936
func (pow *ProofOfWork) InitData(nonce int) []byte {
data := bytes.Join(
[][]byte{
pow.Block.PrevHash,
pow.Block.Data,
},
[]byte{},
)
return data
}
func ToHex(num int64) []byte {
buff := new(bytes.Buffer)
err := binary.Write(buff, binary.BigEndian, num)
if err != nil {
log.Panic(err)
}
return buff.Bytes()
}
func (pow *ProofOfWork) Run() (int, []byte) {
var intHash big.Int
var hash [32]byte
nonce := 0
for nonce < math.MaxInt64 {
data := pow.InitData(nonce)
hash = sha256.Sum256(data)
fmt.Printf("\r%x", hash)
intHash.SetBytes(hash[:])
if intHash.Cmp(pow.Target) == -1 {
break
} else {
nonce++
}
}
fmt.Println()
return nonce, hash[:]
}
type Block struct {
Hash []byte
Data []byte
PrevHash []byte
Nonce int
}
func CreateBlock(data string, prevHash []byte) *Block {
block := &Block{[]byte{}, []byte(data), prevHash, 0}
block.DeriveHash()
return block
}
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
}
