共识算法POW原理及实现

POW简介

Proof of Work，工作证明。
POW共识算法主要是通过计算难度值来决定谁来出块。POW的工作量是指方程式求解，谁先解出来，谁就有权利出块。方程式是通过前一个区块的哈希值和随机值nonce来计算下一个区块的哈希值，谁先找到nonce，谁就能最先计算出下一个区块的哈希值，这种方式之所以被称为计算难度值是因为方程式没有固定解法，只能不断的尝试，这种解方程式的方式称为哈希碰撞，是概率事件，碰撞的次数越多，方程式求解的难度就会越大。比特币就是采用POW共识算法

算法具体实现原理

这里涉及到两个重要的概念，一个是难度系数，一个是nonce，nonce可以理解为一个随机数，就是挖矿中要找到一个符合条件的nonce值。
这里假设难度系数是4(比特币初始难度系数就是4)，将一个区块中的数据加上nonce值打包，nonce值从0开始一直递增，将这打包的数据计算hash值，hash满足最前面有4个0，就是挖矿成功。难度系数为多少，hash最前面就需要满足多少个0。

代码简单实现其原理

package main

import (
    "strconv"
    "time"
    "crypto/sha256"
    "strings"
    "encoding/hex"
    "fmt"
)

//pow 挖矿算法

//定义难度系数
const difiiculty = 4

type Block struct {
    Index      int // 区块高度
    TimeStamp  int64
    Data       string //交易记录
    Hash       string
    Prehash    string
    Nonce      int
    Difficulty int //难度系数
}

//创建区块链
var BlockChain []Block

//创世区块
func GenesisBlock() *Block {

    var geneBlock = Block{0, time.Now().Unix(), "", "", "", 0, difiiculty}
    geneBlock.Hash = hex.EncodeToString(BlockHash(geneBlock))

    return &geneBlock

}



func BlockHash(block Block) []byte {
    re := strconv.Itoa(block.Index) + strconv.Itoa(int(block.TimeStamp)) + block.Data + block.Prehash +
        strconv.Itoa(block.Nonce) + strconv.Itoa(block.Difficulty)

    h := sha256.New()
    h.Write([]byte(re))
    hashed := h.Sum(nil)

    return hashed


}

func isBlockValid(block Block) bool  {
    prefix := strings.Repeat("0", block.Difficulty)
    return strings.HasPrefix(block.Hash, prefix)
}

//创建新区块 pow挖矿
func CreateNewBlock(lastBlock *Block, data string) *Block {
    var newBlock Block
    newBlock.Index = lastBlock.Index + 1
    newBlock.TimeStamp = time.Now().Unix()
    newBlock.Data = data
    newBlock.Prehash = lastBlock.Hash
    newBlock.Difficulty = difiiculty
    newBlock.Nonce = 0
    //开挖-当前区块的hash值的前面的0的个数与难度系数值相同
    for {
        //计算hash
        cuhash := hex.EncodeToString(BlockHash(newBlock))
        fmt.Println("挖矿中",cuhash)
        newBlock.Hash = cuhash
        if isBlockValid(newBlock) {

            //校验区块
            if VerflyBlock(newBlock, *lastBlock) {
                fmt.Println("挖矿成功")
                return  &newBlock
            }
        }
        
        newBlock.Nonce ++

    }
}


//校验新的区块是否合法
func VerflyBlock(newblock Block, lastBlock Block) bool  {
    if lastBlock.Index +1 !=newblock.Index {
        return false
    }
    if newblock.Prehash !=lastBlock.Hash {
        return false
    }
    return true

}

func main()  {

    var genBlock = GenesisBlock()
    
    newBlock := CreateNewBlock(genBlock,"新区块")
    fmt.Println(newBlock)

}

输出

挖矿中 ac6665903c0cd2f000e17483fbcf6e3e8fa365de2b55663e7c94167f816d1489
挖矿中 a46e18c7938ccb2d0554232f94c6e8db933fae509adafd4091f5f0b51951e6ae
挖矿中 3738b5eb5f8f956974fc767058a6d7c94da0fc406e86df2d508b9b87fc109171
挖矿中 0000694b1acaec754175f0a49a1aa190e122b58e9f58125bd18ceec898f8d811
挖矿成功
&{1 1530267247 新区块 0000694b1acaec754175f0a49a1aa190e122b58e9f58125bd18ceec898f8d811 a8df431924b17633bdf0303763661aa7a41c2608cd99f6527542e1326c718152 12167 4}