《锋哥论道区块链》之三区块链基础--共识机制POW

1POW(proof of work，工作量证明)机制
1.1POW的作用
2008年10月，中本聪（Satoshi Nakamoto）发表了论文《Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System》，在论文中设计了区块链的POW的共识机制。那POW共识机制主要的作用是什么？仔细分析比特币的整体设计思路，使用非对称秘钥解决了电子货币的所有权问题，使用区块时间戳解决了交易的存在性问题，用分布式账本解决了剔除第三方机构后交易的验证问题。最后就剩下双重支付问题，在点对点的分布式系统中，要保障所有节点的数据一致性，就必须引入一种机制来保障。中本聪设计了POW共识机制，通过该机制消除双重支付，保证所有节点数据的一致性。
1.2比特币POW实现方式
比特币采用哈希算法，逻辑上是对整个区块进行哈希运算，实际上是对区块头执行哈希运算。也就是说，所谓的区块的哈希值，更确切的表述为区块头的哈希值。区块头大小为80byte，包含六个字段：version、timestamp、bits、nonce、 hashpreblock及hashmerkleroot。如此设计首先带来的好处是方便哈希运算，每次运算只需要80字节的参数输入，而不是整个区块的数据，同时交易列表的任何变化又能体现在哈希运行结果上。
比特币采用SHA256哈希运算，且每次都是连续进行两次SHA256运算才能作为最终结果，前一次运算的结果作为后一次运算的输入，即Double SHA256，一般简称SHA256D，比特币合格区块判断依据如下：
SHA256D(Version,hashPreBlock,hashMerkleRoot,Timestamp,Bits,Nonce)<=MAXTARGET/Diff
比特币工作量证明（POW）的达成就是矿工计算出来的区块哈希值必须小于目标值。比特币工作量证明的过程，就是通过不停的变换区块头（即尝试不同的nouce值）作为输入进行SHA256哈希运算，找出一个特定格式哈希值的过程（即要求有一定数量的前导0）。而要求的前导0的个数越多，代表难度越大。我们可以把比特币矿工解这道工作量证明迷题的步骤大致归纳如下：
（1）生成用于发行新比特币奖励的Coinbase 交易，并与当前时间戳的其他所有准备打包进区块的交易组成交易列表，通过Merkle Tree算法生成Merkle Root Hash；
（2）把Merkle Root Hash及其他相关五个字段组装成区块头，其中nonce置零，将区块头的80字节数据（Block Header）作为工作量证明的输入；
（3）不停的变更区块头中的随机数即nonce的数值（nonce初始置零，每次增1），并对每次变更后的的区块头做双重SHA256运算（即SHA256(SHA256(Block_Header))），将每次结果值与当前网络的目标值做对比，如果小于目标值，则成功搜索到合适的随机数nonce并获得该区块的记账权，工作量证明完成。
（4）如果在当前时间戳未成功，则更新时间戳，重复上述步骤，直到找到符合条件的nonce。
（5）在节点成功找到满足条件的哈希值之后，会马上对全网进行广播打包区块。
（6）网络的其他节点收到广播打包区块，会立刻对区块的哈希值及交易数据的有效性进行验证。如果验证通过，则表明已经有节点成功解迷，自己就不再竞争当前区块打包，而是选择接受这个区块，记录到自己的账本中，然后进行下一个区块的竞争猜谜。