上一节 我们用go语言实现了区块链的基础结构。今天来实现工作量证明。
区块新属性Nonce
我们先来看一下上节实现的区块结构：
type Block struct {
//1.区块高度
Height int64
//2.上一个区块HAsh
PrevBlockHash []byte
//3.交易数据
Data []byte
//4.时间戳
Timestamp int64
//5.Hash
Hash []byte
}
我们都知道一个合法区块的诞生其哈希值必须满足指定的条件，比特币采用的是工作量证明。我们这里用go开发的公链也采用POW一致性算法来产生合法性区块。
因此，区块必须不断产生哈希直到满足POW的哈希值产生才能添加到主链上成为合法区块。看看上图区块的基本结构，对于一个区块来说，1-4项属性都市固定，而区块哈希又是由这些属性拼接生成的。所以，要想让区块哈希能不断变化，必须引入一个变量Nonce。
引入Nonce后，就可以通过改变Nonce值来不断产生新的哈希值直到找到满足条件的哈希。
POW难度targetBits
前面用Python简单介绍过区块链中的挖矿概念,一般地，对于256位的哈希值来说设定挖矿条件的方式往往是：前多少位为0。targetBits便是用于指定目标哈希需满足的条件的，即计算的哈希值必须前targetBits位为0.
而对于一个256位的二进制串判断前多少位为0显得很繁琐，我们可以巧妙地通过位移运算将这一判断转换为一个数学问题。eg:
假设哈希值得位数为8，当前targetBits为2(256位亦然，用8举例是位数少便于描述)，那么目标哈希值必须满足前两位都是0。从临界情况入手，当第2位不为0时的最小的数为0100 0000，只要小于这个数就是符合条件的哈希值。那么这些数是怎么找到的呢？
1.8位哈希值最小的非0值为0000 0001
2.该值左移8-targetBits位，0000 0001 << 6 = 0100 0000 = target
3.if hash < target 区块合法
Block结构完善
Nonce
type Block struct {
//1.区块高度
Height int64
//2.上一个区块HAsh
PrevBlockHash []byte
//3.交易数据
Data []byte
//4.时间戳
Timestamp int64
//5.Hash
Hash []byte
//6.Nonce 符合工作量证明的随机数
Nonce int64
}
新区块产生
//1.创建新的区块
func NewBlock(data string, height int64, prevBlockHash []byte) *Block {
//创建区块
block := &Block{
Height: height,
PrevBlockHash: prevBlockHash,
Data: []byte(data),
Timestamp: time.Now().Unix(),
Hash: nil,
Nonce: 0}
//调用工作量证明返回有效的Hash
pow := NewProofOfWork(block)
hash, nonce := pow.Run()
block.Hash = hash[:]
block.Nonce = nonce
fmt.Printf("\r%d-%x\n", nonce, hash)
return block
}
ProofOfWork
基本结构
//期望计算的Hash值前面至少要有16个零
const targetBits = 16
type ProofOfWork struct {
//求工作量的block
Block *Block
//工作量难度 big.Int大数存储
target *big.Int
}
创建新的POW对象
//创建新的工作量证明对象
func NewProofOfWork(block *Block) *ProofOfWork {
/**
target计算方式 假设：Hash为8位，targetBit为2位
eg:0000 0001(8位的Hash)
1.8-2 = 6 将上值左移6位
2.0000 0001 << 6 = 0100 0000 = target
3.只要计算的Hash满足 ：hash < target，便是符合POW的哈希值
*/
//1.创建一个初始值为1的target
target := big.NewInt(1)
//2.左移bits(Hash) - targetBit 位
target = target.Lsh(target, 256-targetBits)
return &ProofOfWork{block, target}
}
哈希值的预选值
//拼接区块属性，返回字节数组
func (pow *ProofOfWork) prepareData(nonce int) []byte {
data := bytes.Join(
[][]byte{
pow.Block.PrevBlockHash,
pow.Block.Data,
IntToHex(pow.Block.Timestamp),
IntToHex(int64(targetBits)),
IntToHex(int64(nonce)),
IntToHex(int64(pow.Block.Height)),
},
[]byte{},
)
return data
}
区块有效性验证
//判断当前区块是否有效
func (proofOfWork *ProofOfWork) IsValid() bool {
//比较当前区块哈希值与目标哈希值
var hashInt big.Int
hashInt.SetBytes(proofOfWork.Block.Hash)
if proofOfWork.target.Cmp(&hashInt) == 1 {
return true
}
return false
}
挖矿(产生有效的哈希值)
//运行工作量证明
func (proofOfWork *ProofOfWork) Run() ([]byte, int64) {
//1.将Block属性拼接成字节数组
//2.生成hash
//3.判断Hash值有效性，如果满足条件跳出循环
//用于寻找目标hash值的随机数
nonce := 0
//存储新生成的Hash值
var hashInt big.Int
var hash [32]byte
for {
//准备数据
dataBytes := proofOfWork.prepareData(nonce)
//生成Hash
hash = sha256.Sum256(dataBytes)
//\r将当前打印行覆盖
//fmt.Printf("\r%x", hash)
//存储Hash到hashInt
hashInt.SetBytes(hash[:])
//验证Hash
if proofOfWork.target.Cmp(&hashInt) == 1 {
break
}
nonce++
}
return hash[:], int64(nonce)
}
POW测试
package main
import (
"chaors.com/LearnGo/publicChaorsChain/part2-ProofOfWork-Prototype/BLC"
"fmt"
)
func main() {
//genesisBlock := BLC.CreateGenesisBlock("Genenis Block")
//创建带有创世区块的区块链
blockchain := BLC.CreateBlockchainWithGensisBlock()
//添加一个新区快
blockchain.AddBlockToBlockchain("first Block",
blockchain.Blocks[len(blockchain.Blocks)-1].Height,
blockchain.Blocks[len(blockchain.Blocks)-1].Hash)
blockchain.AddBlockToBlockchain("second Block",
blockchain.Blocks[len(blockchain.Blocks)-1].Height,
blockchain.Blocks[len(blockchain.Blocks)-1].Hash)
blockchain.AddBlockToBlockchain("third Block",
blockchain.Blocks[len(blockchain.Blocks)-1].Height,
blockchain.Blocks[len(blockchain.Blocks)-1].Hash)
fmt.Println(blockchain)
}
运行后，consle会不断打印计算出的Hash值，直到计算出的Hash值满足条件。当我们调整POW难度targetBits，会发现计算的时间有所改变。targetBits越大，挖矿难度越大，新区快产生的时间也就越久。
源代码在这,喜欢的朋友记得给个小star，或者fork.也欢迎大家一起探讨区块链相关知识，一起进步！
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互联网颠覆世界，区块链颠覆互联网!
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