使用Go構建區塊鏈第2部分：工做量證實

時間 2019-12-06

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Introduction

在上一篇文章中，咱們構建了一個很是簡單的數據結構，這是區塊鏈數據庫的本質。咱們能夠經過它們之間的鏈狀關係爲它添加區塊：每一個區塊都連接到前一個塊。咱們的區塊鏈實現有一個重大缺陷：向鏈中添加區塊很容易。區塊鏈和比特幣的核心之一是：添加新區塊是一項艱苦的工做。今天咱們要解決這個缺陷。java

Proof-of-Work（工做量證實）

區塊鏈的一個關鍵思想是，必須進行一些艱苦的工做才能將數據放入其中。正是這項艱苦的工做使區塊鏈變得安全和一致。此外，這項艱苦的工做也獲得了回報（這也就是經過挖礦得到幣）。golang

這種機制與現實生活中的機制很是類似：人們必須努力工做，才能得到獎勵並維持生命。在區塊鏈中，網絡的一些參與者（礦工）努力維持網絡，向其添加新區塊，並得到對其工做的獎勵。因爲他們的工做，區塊以安全的方式被整合到區塊鏈中，這保持了整個區塊鏈數據庫的穩定性。值得注意的是，完成工做的人必須證實這一點。算法

這整個「努力工做和證實」的機制被稱爲工做量證實。這很難，由於它須要大量的計算能力：即便是高性能的計算機也沒法快速完成。另外，這個工做的困難度會隨着時間不斷增加，以保持每 10 分鐘出 1 個新塊的速度。在比特幣中，這種工做的目標是找到一個塊的哈希，知足一些要求。這個哈希，也就充當了證實的角色。所以，尋求證實（尋找有效哈希），就是礦工實際要作的事情。數據庫

最後要注意的一點是。工做量證實算法必須知足要求：完成工做很難，但驗證證實很容易。證實一般會交給其餘人，所以對他們而言，驗證它不該該花費太多時間。api

Hashing

在本段中，咱們將討論哈希。若是您熟悉這個概念，能夠跳過這一部分。安全

哈希是獲取指定數據的哈希的過程。哈希是計算數據的惟一表示。哈希函數是一種獲取任意大小數據並生成固定大小哈希的函數。如下是哈希的一些主要功能：bash

沒法從哈希中恢復原始數據。所以，哈希不是加密。
某些數據只能有一個哈希值，哈希值是惟一的。
改變輸入數據中的一個字節將致使徹底不一樣的哈希。

哈希函數普遍用於檢查數據的一致性。除軟件包外，某些軟件提供商還會發布校驗和。下載文件後，您能夠將其提供給哈希函數，並將生成的哈希與軟件開發人員提供的哈希進行比較。網絡

在區塊鏈中，哈希用於保證區塊的一致性。哈希算法的輸入數據包含前一個區塊的哈希，所以沒法（或者至少很是困難）修改鏈中的區塊：必須從新計算其哈希和其後全部區塊的哈希值。數據結構

Hashcash

比特幣使用 Hashcash，一種最初開發用於防止電子郵件垃圾郵件的工做量證實算法。它能夠分爲如下幾個步驟：架構

拿一些公開的數據（若是是電子郵件，它是接收者的電子郵件地址;對於比特幣，它是塊頭）。
添加一個計數器。計數器從0開始。
將 data(數據) 和 counter(計數器) 組合到一塊兒，得到一個哈希
檢查哈希符合某些要求。

若是確實如此，那就完成了。
若是沒有，請增長計數器並重復步驟3和4。

所以，這是一個暴力算法：你改變計數器，計算一個新的哈希，檢查它，增長計數器，計算一個哈希等。這就是爲何它的計算成本很高。

如今讓咱們仔細看看哈希必須知足的要求。在最初的Hashcash實現中，它的要求是「一個哈希的前 20 位必須是 0」。在比特幣中，需求會不時調整，由於，儘管計算能力隨着時間的推移而增長，而且愈來愈多的礦工加入網絡，但必須保證每 10 分鐘生成一個塊。

爲了演示這個算法，我從前面的例子中獲取了數據（「我喜歡甜甜圈」）並找到了一個以3個零字節開頭的哈希：

ca07ca是計數器的十六進制值，十進制系統中爲13240266。

Implementation

好的，咱們已經完成了理論，讓咱們編寫代碼！首先，讓咱們來定義挖掘的難度：

const targetBits = 24複製代碼

在比特幣中，當一個塊被挖出來之後，「target bits」表明了區塊頭裏存儲的難度，也就是開頭有多少個 0。目前咱們不會實現目標調整算法，所以咱們能夠將難度定義爲全局常量。

24是一個任意數字，咱們的目標是讓一個目標在內存中佔用少於256位。咱們但願差別足夠大，但不要太大，由於差別越大，找到合適的散列越困難。

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
}複製代碼

這裏，咱們構造了 ProofOfWork 結構，裏面存儲了指向一個塊(block)和一個目標(target)的指針。這裏的「目標」，也就是前一節中所描述的必要條件。這裏使用了一個大整數，咱們會將哈希與目標進行比較：先把哈希轉換成一個大整數，而後檢測它是否小於目標。

在 NewProofOfWork 函數中，咱們將 big.Int 初始化爲 1，而後左移 256 - targetBits 位。256 是一個 SHA-256 哈希的位數，咱們將要使用的是 SHA-256 哈希算法。target（目標） 的 16 進制形式爲：

0x10000000000000000000000000000000000000000000000000000000000複製代碼

它在內存中佔用29個字節。這裏是與前面例子中的哈希的視覺比較：

0fac49161af82ed938add1d8725835cc123a1a87b1b196488360e58d4bfb51e3
0000010000000000000000000000000000000000000000000000000000000000
0000008b0f41ec78bab747864db66bcb9fb89920ee75f43fdaaeb5544f7f76ca複製代碼

第一個哈希值（根據「我喜歡甜甜圈」計算）比目標大，所以它不是有效的工做證實。第二個哈希（計算在「我喜歡donutsca07ca」）小於目標，所以它是一個有效的證據。

您能夠將目標視爲範圍的上邊界：若是數字（哈希）低於邊界，則它是有效的，反之亦然。下降邊界將致使有效數字減小，所以找到有效數字所需的工做更加困難。

如今，咱們須要數據進行哈希處理。咱們準備吧：

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
}複製代碼

這個部分很簡單：咱們只是將 target ，nonce 與 Block 進行合併。nonce這裏是上面Hashcash描述的計數器，這是一個加密術語。

好的，全部準備工做都已完成，讓咱們實現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)
		fmt.Printf("\r%x", hash)
		hashInt.SetBytes(hash[:])

		if hashInt.Cmp(pow.target) == -1 {
			break
		} else {
			nonce++
		}
	}
	fmt.Print("\n\n")

	return nonce, hash[:]
}
複製代碼

首先，咱們初始化變量：hashInt，它是整數表示hash; nonce是計數器。接下來，咱們運行一個「無限」循環：它受限於maxNonce, 它等於 math.MaxInt64;這樣作是爲了不nonce的溢出。雖然咱們的PoW實現的難度過低而不能使計數器溢出，但爲了以防萬一，進行此檢查仍然更好。

在這個循環中，咱們作的事情有：

準備數據
用 SHA-256 對數據進行哈希
將哈希轉換成一個大整數
將這個大整數與目標進行比較

跟以前所講的同樣簡單。如今咱們能夠移除 Block 的 SetHash 方法，而後修改 NewBlock 函數：

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
}
複製代碼

在這裏，你能夠看到 nonce 被保存爲 Block 的一個屬性。這是十分有必要的，由於待會兒咱們對這個工做量進行驗證時會用到 nonce 。Block 結構如今看起來像是這樣：

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

好的！讓咱們運行程序，看看一切是否正常：

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複製代碼

好極了！您能夠看到每一個哈希如今以三個零字節開始，而且須要一些時間來獲取這些哈希值。

還有一件事要作：對工做量證實進行驗證。

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
}
複製代碼

這就是咱們須要保存的隨機數的地方。

讓咱們再檢查一切都沒問題：

func main() {
	...

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

Output:

...

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
複製代碼