深刻比特幣、以太坊源碼帶你解讀POW共識機制

時間 2021-08-12

標籤 git github 安全網絡 ide 函數學習區塊鏈 code 欄目比特幣简体版

原文原文鏈接

概念

全稱爲Proof Of Work，又叫工做量證實。POW是最先的共識機制。POW是指工做者經過必定的工做量，提供一個能被大多數驗證者快速驗證的答案，從而獲得獎勵的機制。git

原理

講原理以前，先給你們普及兩個概念：難度值和noncegithub

難度值

       難度值就是礦工挖礦成功的難度成程度，那這個是怎麼判斷的呢？咱們先學習一個公式：
        target值 = 最大目標值 / 難度值
        其中最大目標值是固定的，出塊以前，區塊鏈網絡設置了一個target值，target值越低，生成有效hash的集合就越小，生成有效hash就越困難。當前出塊難度值，它決定了大概須要通過多少次哈希運算才能產生一個合法的區塊。出塊以前，區塊鏈網絡設置了一個target值，target值越低，生成有效hash的集合就越小，生成有效hash就越困難。安全

nonce

nonce值是什麼呢？它就是一個隨機數，系統區塊工做證實的參數。因爲給定的一組數據只能生成一個hash，礦工如何確保他們生成的hash小於target？它們經過添加一個稱爲nonce的整數（number only used once ）來改變輸入的數據，一旦找到一個有效的hash，它就被廣播到網絡中，同時區塊被添加到區塊鏈中，找到這個nonce整數的礦工就能得到獎勵。網絡

原理

上面兩個概念瞭解了以後呢，原理其實就很容易理解了。pow機制的原理其實就是：系統設定好挖礦難度（比特幣2016個塊以後從新計算，以太坊每次生成區塊都從新計算），而後礦工開始工做出塊，礦工每次出塊都是nonce從1開始遞增進行尋找可用的nonce值，直到找到符合規則、可用的hash爲止，最早找到的礦工可得到挖礦獎勵。ide

源碼解讀

理論咱們講的差很少了，你們坐穩扶好，接下來直接上代碼進行分析，一口氣讀完溫馨感最佳。函數

比特幣

static bool GenerateBlock(ChainstateManager& chainman, CBlock& block, uint64_t& max_tries, unsigned int& extra_nonce, uint256& block_hash)
{
	//  區塊hash置空
    block_hash.SetNull();

    {
        LOCK(cs_main);
        CHECK_NONFATAL(std::addressof(::ChainActive()) == std::addressof(chainman.ActiveChain()));
        IncrementExtraNonce(&block, chainman.ActiveChain().Tip(), extra_nonce);
    }

    CChainParams chainparams(Params());

	// 獲取可用nonce值
    while (max_tries > 0 && block.nNonce < std::numeric_limits<uint32_t>::max() && !CheckProofOfWork(block.GetHash(), block.nBits, chainparams.GetConsensus()) && !ShutdownRequested()) {
        ++block.nNonce;
        --max_tries;
    }
    if (max_tries == 0 || ShutdownRequested()) {
        return false;
    }
    if (block.nNonce == std::numeric_limits<uint32_t>::max()) {
        return true;
    }

    std::shared_ptr<const CBlock> shared_pblock = std::make_shared<const CBlock>(block);
    if (!chainman.ProcessNewBlock(chainparams, shared_pblock, true, nullptr)) {
        throw JSONRPCError(RPC_INTERNAL_ERROR, "ProcessNewBlock, block not accepted");
    }

    block_hash = block.GetHash();
    return true;
}

計算nonce值的那一段咱們單獨進行分析學習

while (max_tries > 0 && block.nNonce < std::numeric_limits<uint32_t>::max() && !CheckProofOfWork(block.GetHash(), block.nBits, chainparams.GetConsensus()) && !ShutdownRequested()) {
    ++block.nNonce;
    --max_tries;
}

1.首先判斷是否達到最大重試次數MaxTries > 0 ，maxTries默認值DEFAULT_MAX_TRIES爲1000000，達到最大重試次數未得到可用nonce，則該礦工這次挖礦失敗。區塊鏈

if (max_tries == 0 || ShutdownRequested()) {
   return false;
}

2.判斷nNonce < std::numeric_limits<uint32_t>::max()，即控制nonce在一次挖礦做業中的隨機次數不得超過uint32的最大值。若是nNonce值修改的次數已經超過了規定的次數尚未找到工做量證實的一個解，則廢棄這個候選區塊，從新回到前面建立一個新的候選區塊。ui

if (block.nNonce == std::numeric_limits<uint32_t>::max()) {
    return true;
}

3.執行CheckProofOfWork，源碼以下code

bool CheckProofOfWork(uint256 hash, unsigned int nBits, const Consensus::Params& params)
{
    bool fNegative;
    bool fOverflow;
    arith_uint256 bnTarget;

    bnTarget.SetCompact(nBits, &fNegative, &fOverflow);

    // Check range
    if (fNegative || bnTarget == 0 || fOverflow || bnTarget > UintToArith256(params.powLimit))
        return false;

    // Check proof of work matches claimed amount
    if (UintToArith256(hash) > bnTarget)
        return false;

    return true;
}

上面函數大概意思就是根據nBits難度值獲取到的target，是在可用區間內的，而且計算得出的hash小於target值，則本次hash爲可用hash值。
4.未挖礦成功則一直循環計算，直到找到可用nonce值或上述一、二、3中某一步驟不符合while循環條件爲止。