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Go实现区块链（二）---工作量证明

2018-03-15  本文已影响100人  even_366

1.前言

前面我们已经介绍了区块链基本原型，接下来我们实现一个简易版的工作量证明，也就是我们所说的挖矿。可能我们经常在听别人说比特币的挖矿就是做算术题，谁先算出来就将会得到矿工费。今天先讨论这算术题目是什么？这算术题正确答案是怎么解除来的。

比特币可以用笔和纸来挖吗？

当看我第一次看到这个问题的时候好奇地点了进去，心理一句:贫穷限制了我的想象力。
https://www.zhihu.com/question/65177936/answer/228905870

2.知识准备

知识点 学习网页 特性
HASH Hash 1.不可逆性。不能根据一个哈希值推导出原始数据。所以，哈希不是加密。2.唯一性。每个数据有且仅有一个唯一的哈希值。3.迥异性。原始数据一丁点的变化都将得到完全不一样的哈希值。
Hashcash Hashcash 1.一种最初被用于反垃圾邮件的算法。

3.Hashcash算法流程图

Hashcash算法流程

看了以上流程图，你应该清楚比特币出了一道什么样的题，我们计算机挖矿又是怎么答题的了。比特币挖矿为什么耗资源，因为上面流程就是一直在不停地暴力计算。

4.思路

# 计算字符串'I like donuts'的哈希值
SHA256("I like donuts") ——> f80867f6efd4484c23b0e7184e53fe4af6ab49b97f5293fcd50d5b2bfa73a4d0 
# 拼接一个计数器值(ca07ca)，再次进行Hash计算 
SHA256("I like donutsca07ca") ——> 0000002f7c1fe31cb82acdc082cfec47620b7e4ab94f2bf9e096c436fc8cee06

这里的ca07ca是计数器值的十六进制，他表示的十进制值为13240266

即，从0开始，总共计算了13240266次，才计算出I like donuts这个数据的Hash值，满足前6位(3字节)全是零。

5.工作量代码实现

const targetBits = 20

//工作量证明
type ProofOfWork struct {
    block  *Block //区块体
    target *big.Int //挖矿目标值
}

// 新的工作量证明，并且得到一个难度值
func NewProofOfWork(b *Block) *ProofOfWork {
    //这里将数字1左移256-20=236位得到难度计算值
    target := big.NewInt(1)
    target.Lsh(target, uint(256-targetBits))

    pow := &ProofOfWork{b, target}

    return pow
}

1)创建一个工作量证明，设置工作难度值。这里是将1左移256-targetBits位后得道一个固定目标值。事实比特币中的目标值就随机的。我们这里给一个固定的值。

//将区块体里面的数据转换成一个字节码数组，为下一个区块准备数据
func (pow *ProofOfWork) prepareData(nonce int) []byte {
    //注意一定要将原始数据转换成[]byte，不能直接从字符串转
    data := bytes.Join(
        [][]byte{
            pow.block.PrevBlockHash,
            pow.block.Data,
            utils.IntToHex(pow.block.Timestamp),
            utils.IntToHex(int64(targetBits)),
            utils.IntToHex(int64(nonce)),
        },
        []byte{},
    )

    return data
}

// 运行工作量证明，开始挖矿，找到小于难度目标值的Hash
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 Dig into mine  %x", hash)
        hashInt.SetBytes(hash[:])

        if hashInt.Cmp(pow.target) == -1 {

            break
        } else {
            nonce++
        }
    }
    fmt.Print("\n\n")
    return nonce, hash[:]
}

2)数据准备，先把前一块数据组一个字节数组(data=Hash+Data+PrevBlockHash+Timestamp+Nonce)，然后sha256(data)得道一个新的hash如果值小于上面我们定义的目标值，那么这个时候返回计数器的值和hash。

//生成一个新的区块方法
func NewBlock(data string, prevBlockHash []byte) *Block{
    //GO语言给Block赋值{}里面属性顺序可以打乱，但必须制定元素 如{Timestamp:time.Now().Unix()...}
    block := &Block{Timestamp:time.Now().Unix(), Data:[]byte(data), PrevBlockHash:prevBlockHash, Hash:[]byte{},Nonce:0}

    //工作证明
    pow :=NewProofOfWork(block)
    //工作量证明返回计数器和hash
    nonce, hash := pow.Run()
    block.Hash = hash[:]
    block.Nonce = nonce
    return block
}

每次生产一个新区块都必先制作一个工作量，然后去挖矿。

6.演示

func main() {

    //创世块
    bc :=block.NewBlockchain()
    //添加第2块
    bc.AddBlock("Send 1 BTC to even")
    //添加第3块
    bc.AddBlock("Send 2 more BTC to even")
    //迭代数组里面的数据
    for _, block := range bc.Blocks {
        fmt.Printf("Prev. hash: %x\n", block.PrevBlockHash)
        fmt.Printf("Data: %s\n", block.Data)
        fmt.Printf("Hash: %x\n", block.Hash)
        fmt.Printf("Nonce: %d\n",block.Nonce)
        //校验数据
        fmt.Printf("PoW: %s\n", strconv.FormatBool(block.Validate()))
        fmt.Println()

    }
}

结果输出

Mining the block containing "Genesis Block"
 Dig into mine  000006e591b0c446ff57c286b4827a5cb5b095925a70c0ec80e7ddae2d14c16c

Mining the block containing "Send 1 BTC to even"
 Dig into mine  00000fd798dc5d76e03ed0cb925a76229563d59e06a5ca6f71837e6d65da4595

Mining the block containing "Send 2 more BTC to even"
 Dig into mine  00000c380a102e41d1c9ab8ffe76004eab79cb5a806c1db4b872f56e69039408

Prev. hash: 
Data: Genesis Block
Hash: 000006e591b0c446ff57c286b4827a5cb5b095925a70c0ec80e7ddae2d14c16c
Nonce: 1107793
PoW: true

Prev. hash: 000006e591b0c446ff57c286b4827a5cb5b095925a70c0ec80e7ddae2d14c16c
Data: Send 1 BTC to even
Hash: 00000fd798dc5d76e03ed0cb925a76229563d59e06a5ca6f71837e6d65da4595
Nonce: 2929582
PoW: true

Prev. hash: 00000fd798dc5d76e03ed0cb925a76229563d59e06a5ca6f71837e6d65da4595
Data: Send 2 more BTC to even
Hash: 00000c380a102e41d1c9ab8ffe76004eab79cb5a806c1db4b872f56e69039408
Nonce: 157830
PoW: true

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