数字货币开发专题（Proof Of Work工作证明）

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数字货币开发中使用到的工作证明(Proof Of Work，简称POW)，顾名思义，即工作量的证明。通常来说只能从结果证明，因为监测工作过程通常是繁琐与低效的。


数字货币在Block的生成过程中使用了POW机制，一个符合要求的Block Hash由N个前导零构成，零的个数取决于网络的难度值。要得到合理的Block Hash需要经过大量尝试计算，计算时间取决于机器的哈希运算速度。当某个节点提供出一个合理的Block Hash值，说明该节点确实经过了大量的尝试计算，当然，并不能得出计算次数的绝对值，因为寻找合理hash是一个概率事件。当节点拥有占全网n%的算力时，该节点即有n/100的概率找到Block Hash。


工作证明机制看似很神秘，其实在社会中的应用非常广泛。例如，毕业证、学位证等证书，就是工作证明，拥有证书即表明你在过去投入了学习与工作。生活大部分事情都是通过结果来判断的。






挖矿


挖矿即不断接入新的Block延续Block Chain的过程。






挖矿为整个系统的运转提供原动力，是比特币的发动机，没有挖矿就没有比特币。挖矿有三个重要功能：


发行新的货币（总量达到之前）
维系货币的支付功能
通过算力保障系统安全
金矿消耗资源将黄金注入流通经济，比特币通过“挖矿”完成相同的事情，只不过消耗的是CPU时间与电力。当然，比特币的挖矿意义远大于此。


Block Hash算法


Block头部信息的构成：
字段名 含义 大小(字节)
Version 版本号 4
hashPrevBlock 上一个block hash值 32
hashMerkleRoot 上一个block产生之后至新block生成此时间内，
交易数据打包形成的Hash 32
Time Unix时间戳 4
Bits 目标值，即难度 4
Nonce 随机数 4




下面采用高度为125552的block数据为例，演示block hash的计算过程：


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php
$header_hex = "01000000" . // version
              // previous block hash
              "81cd02ab7e569e8bcd9317e2fe99f2de44d49ab2b8851ba4a308000000000000" .
              // merkle root hash of transactions in this block
              "e320b6c2fffc8d750423db8b1eb942ae710e951ed797f7affc8892b0f1fc122b" .
              // Time
              "c7f5d74d" .
              // Bits (Difficulty)
              "f2b9441a" .
              // Nonce
              "42a14695";
$header_bin = pack("H*", $header_hex);  // hex to bin
$h = hash('SHA256', hash('sha256', $header_bin, true), true);  // double sha256


echo bin2hex($h), "\n";
// output: 1dbd981fe6985776b644b173a4d0385ddc1aa2a829688d1e0000000000000000
echo bin2hex(strrev($h)), "\n";
// output: 00000000000000001e8d6829a8a21adc5d38d0a473b144b6765798e61f98bd1d
该计算过程简单明了：首先将数个字段合并成一块数据，然后对这块数据进行双SHA256运算。


产量调节


Block的产量为大约每两周2016个，即每10分钟一块。该规则在每个节点的代码里都固定了。
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// 目标时间窗口长度：两周
static const int64 nTargetTimespan = 14 * 24 * 60 * 60;
// block频率，每10分钟一块
static const int64 nTargetSpacing  = 10 * 60;
// 每两周的产量2016，也是调节周期
static const int64 nInterval       = nTargetTimespan / nTargetSpacing;
但由于实际算力总是不断变化的（目前一直是快速上升的），所以需根据最近2016个块的耗费时间来调整难度值，维持每10分钟一个block的频率.


Block字段详解


Version，版本号，很少变动，一般用于软件全网升级时做标识
hashPrevBlock，前向Block Hash值，该字段强制多个Block之间形成链接
hashMerkleRoot，交易Hash树的根节点Hash值，起校验作用，保障Block在网络传输过程中的数据一致性，有新交易加入即发生变化
Time，Unix时间戳，每秒自增一，标记Block的生成时间，同时为block hash探寻引入一个频繁的变动因子
Bits，可以推算出难度值，用于验证block hash难度是否达标
Nonce，随机数，在上面数个字段都固定的情况下，不停地更换随机数来探寻
最为关键的字段是hashPrevBlock，该字段使得Block之间链接起来，形成一个巨大的“链条”。Block本是稀松平常的数据结构，但以链式结构组织起来后却使得它们具有非常深远的意义：


形成分支博弈，使得算力总是在主分支上角逐
算力攻击的概率难度呈指数上升（泊松分布）
每个block都必须指向前一个block，否则无法验证通过。追溯至源头，便是高度为零的创世纪块(Genesis Block)，这里是Block Chain的起点，其前向block hash为零，或者说为空。


新block诞生过程


下面是一个简单的步骤描述，实际矿池运作会有区别，复杂一些：


节点监听全网交易，通过验证的交易进入节点的内存池(Tx Mem Pool)，并更新交易数据的Merkle Hash值
更新时间戳
尝试不同的随机数(Nonce)，进行hash计算
重复该过程至找到合理的hash
打包block：先装入block meta信息，然后是交易数据
对外部广播出新block
其他节点验证通过后，链接至Block Chain，主链高度加一，然后切换至新block后面挖矿
由于hashPrevBlock字段的存在，使得大家总是在最新的block后面开挖，稍后会分析原因。


主链分叉


从block hash算法我们知道，合理的block并不是唯一的，同一高度存在多个block的可能性。那么，当同一个高度出现多个时，主链即出现分叉(Fork)。遇到分叉时，网络会根据下列原则选举出Best Chain：


不同高度的分支，总是接受最高（即最长）的那条分支
相同高度的，接受难度最大的
高度相同且难度一致的，接受时间最早的
若所有均相同，则按照从网络接受的顺序
等待Block Chain高度增一，则重新选择Best Chain


按照这个规则运作的节点，称为诚实节点(Honest Nodes)。节点可以诚实也可以不诚实。


分支博弈


我们假设所有的节点：


都是理性的，追求收益最大化
都是不诚实的，且不惜任何手段获取利益
所有节点均独自挖矿不理会其他节点，并将所得收益放入自己口袋，现象就是一个节点挖一个分支。由于机器的配置总是有差别的，那么算力最强的节点挖得的分支必然是最长的，如果一个节点的分支不是最长的，意味其收益存在不被认可的风险（即零收益）。为了降低、逃避此风险，一些节点肯定会联合起来一起挖某个分支，试图成为最长的分支或保持最长分支优势。


一旦出现有少量的节点联合，那么其他节点必然会效仿，否则他们收益为零的风险会更大。于是，分支迅速合并汇集，所有节点都会选择算力更强的分支，只有这样才能保持收益风险最小。最终，只会存在一个这样的分支，就是主干分支(Best/Main Chain)。


对于不诚实节点来说，结局是无奈的：能且只能加入主干挖矿。不加入即意味被抛弃，零收益；加入就是老实干活，按占比分成。


Hash Dance


Block hash的计算是随机概率事件，当有节点广播出难度更高的block后，大家便跑到那个分支。在比特币系统运行过程中，算力经常在分支间跳来跳去，此现象称为Hash Dance。一般情况下，分支的高度为1~2，没有大的故障很难出现高于2的分支。


Hash Dance起名源于Google Dance.


算力攻击的概率


算力攻击是一个概率问题，这里作简单叙述：


p = 诚实节点挖出block概率
q = 攻击者挖出block概率，q = 1 – p
qz = 攻击者从z个block追上的概率


我们假设p>q，否则攻击者掌握了一半以上的算力，那么概率上永远是赢的。该事件（攻击者胜出）的概率是固定，且N次事件之间是相互独立的，那么这一系列随机过程符合泊松分布(Poisson Distribution)。Z个块时，攻击者胜出的期望为lambda：




攻击者在攻击时已经偷偷的计算了k个块，那么这

椭圆曲线数字签名算法（ECDSA）是使用椭圆曲线密码（ECC）对数字签名算法（DSA）的模拟。ECDSA于1999年成为ANSI标准，并于2000年成为IEEE和NIST标准。它在1998年既已为ISO所接受，并且包含它的其他一些标准亦在ISO的考虑之中。与普通的离散对数问题（discrete logarithm problem  DLP）和大数分解问题（integer factorization problem  IFP）不同，椭圆曲线离散对数问题（elliptic curve discrete logarithm problem  ECDLP）没有亚指数时间的解决方法。因此椭圆曲线密码的单位比特强度要高于其他公钥体制。

数字签名算法（DSA）在联邦信息处理标准FIPS中有详细论述，称为数字签名标准。它的安全性基于素域上的离散对数问题。椭圆曲线密码（ECC）由Neal Koblitz和Victor Miller于1985年发明。它可以看作是椭圆曲线对先前基于离散对数问题（DLP）的密码系统的模拟，只是群元素由素域中的元素数换为有限域上的椭圆曲线上的点。椭圆曲线密码体制的安全性基于椭圆曲线离散对数问题（ECDLP）的难解性。椭圆曲线离散对数问题远难于离散对数问题，椭圆曲线密码系统的单位比特强度要远高于传统的离散对数系统。因此在使用较短的密钥的情况下，ECC可以达到于DL系统相同的安全级别。这带来的好处就是计算参数更小，密钥更短，运算速度更快，签名也更加短小。因此椭圆曲线密码尤其适用于处理能力、存储空间、带宽及功耗受限的场合。

ECDSA是椭圆曲线对DSA的模拟。ECDSA首先由Scott和Vanstone在1992年为了响应NIST对数字签名标准（DSS）的要求而提出。ECDSA于1998年作为ISO标准被采纳，在1999年作为ANSI标准被采纳，并于2000年成为IEEE和FIPS标准。包含它的其他一些标准亦在ISO的考虑之中。