Go区块链之工作量证明

工作量证明：

上一文中我们介绍了区块链基础模型的实现，但是一个最大的问题就是我们向其中添加区块的操作是非常容易的。实际应用中，向区块链中添加区块需要完成一个非常复杂的数学计算，区块的添加需要经过所有包含区块数据的节点的验证通过，其数学求解的过程也称为挖矿，其数学解称之为工作量证明。所有参与求解的人称之为矿工，第一个得到正解的矿工挖矿成功，获得挖矿奖励。正是由于挖矿需要非常大的算力，才保证区块链的安全性和一致性。

做为奖励，区块链机制给予第一个得到解的人记账的权利（即向区块链添加新的区块的权利），该区块的第一笔交易记录给予矿工的奖励，由系统发放（区块中交易记录了用户之间的数字货币或资产的转移，来源指向一个用户地址。唯独第一笔交易来源为空，即由系统发放）。在一个矿工完成挖矿后，其他参与者会对该用户的求解进行验证，只有通过验证的区块才会被其他矿工计入区块链。

区块链的计算求解到解的验证过程称之为工作量证明。这一过程是需要耗费极大计算机算力，即使性能很好的计算机也不能很快得到结果。此外，挖矿难度随着整体算力实时进行改变已保证每个小时产出区块大概6个。对于比特币来讲，挖矿的目的实际是通过不断改变参数，进行哈希计算，为区块找出找出符合一定条件的哈希值。在比特币中，这个哈希就是工作量的证明。它表明矿工进行了大量的计算。那么什么是哈希呢？

哈希：

哈希是为特定数据求解哈希值的过程，不同的数据经过哈希后具有自己独一无二的值。哈希具有以下特征：

1.原始数据不能通过哈希值反推，因此哈希不是加密。

2.特定数据具有唯一的哈希，该哈希对于这些数据是独一无二的。

3.即使数据由一点的改变，其哈希也会完全不同。

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哈希被广泛用来验证数据的一致性。在区块链中，哈希是为了保证区块数据的一致性。由于一个区块中用于哈希计算的数据包含了上一个区块的哈希值，因此对区块链进行修改是非常困难的。要想更改一个区块的数据，必须同时修改其后的所有区块数据，这需要进行大量的工作量。

hashcash：

hashcash是一种哈希算法的系统，该技术最先用来进行邮件过滤。该算法主要分为以下几个步骤：

1.取出一些公开的数据data。

2.在这些数据上添加技术count，从0开始。

3.计算data+count的哈希。

4.验证哈希值是否满足一定条件：    

        1.满足，

        2.不满足，count+1，重复3-4.

这一过程是很粗暴的，你必须不断增加count直到找到满足条件的值。这也是为什么挖矿如此耗费计算机算力。

比特币中该条件为哈希值的前20位必须为0，同时该条件实时变化以保证出块速度保持稳定。不管矿工人数增加或计算机算力增加，比特币每2016个区块后调整一次计算难度。

代码实现：

首先我们定义挖矿难度：

const targetBits = 24  //目标在内存比256bit少24bit

在比特币中，挖矿难度保存在区块头中，实时变化。我们先假定区块难度不变。

在NewProofOfWork中我们使用bigint，因为我们将区块hash转为bigint与target进行比较，hash条件为hash值小于target。我们定义的target16进制表示为：

0x10000000000000000000000000000000000000000000000000000000000

target可以认为是hash的上边界值，任何小于target的hash计算都是有效的。若我们减小上边界，即增大计算难度。

为了计算hash，我们必须首先准备数据：

这里我们简单的将这些数据组合在一起进行哈希计算。工作量证明的计算过程：

在上图中，hashInt是哈希的int表示，hash是循环计算的哈希值，nonce为count，不断增加直到找到符合条件的哈希。在循环中我们分为几步：

1.准备数据

2.计算哈希

3.与目标值进行比较：

        1.满足条件，跳出循环

        2.不满足条件，nonce增加，继续循环

现在我们将nonce加入区块头，删除上一文中的SetHash函数，并修改NewBlock函数。

我们将nonce作为区块的一个基本参数，以用来对区块进行验证。

为了计算速度，我将targetBits设置为12，可以看到新的区块哈希都满足前3位为0。

总结：

现在我们离真实的区块链模型更加接近，添加区块需要进行大量计算。但是要实现真实的区块链，我们还需要增加一些主要功能：区块持久化、钱包、转账、地址、共识机制等。继续努力。