我的区块链技术学习笔记(五):愉快的挖矿

好了,完成了理论层面,来动手写代码吧!现在,愉快地挖矿吧!

attachments-2018-01-jhn3VYyf5a622c27dfd0d.作者: Ivan Kuznetsov  吴寿鹤等

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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

在比特币中,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("%x\n", sha256.Sum256(data1))
    fmt.Printf("%64x\n", target)
    fmt.Printf("%x\n", sha256.Sum256(data2))

}

输出:

experiment

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 < 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[:]
}

attachments-2018-01-De1cFQoV5a62352db3306.

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 nonce 。Block 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: %s\n", 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):

output

总结

我们离真正的区块链又进了一步: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!

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  • 发表于 2018-01-20 01:33
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