轻松学习区块链5 - 工作量证明POW

MiniBC区块链V004 - 工作量证明POW

共识算法

在整个区块链工作过程中，会有很多的机器加入其中，每一台机器成为一个节点，它们互相协作，来共同维护区块链的安全和数据的一致。其中，生成新的区块就是一项很重要的工作。因为新的区块里面包含很多新产生的重要数据，比如交易信息等。为了让这项工作有序和可控，通常会在所有节点上通过竞争选出一个节点，由这个胜出的节点负责打包新产生的数据，并通知和传播给其它节点。

通过竞争选择优胜者的机制称为共识算法，目前主流加密货币引入了很多共识算法，比如pow, pos, dpos, pbft等等。象比特币就是采用了pow算法，也就是工作量证明。

工作量证明

工作量证明 (Proof Of Work，简称POW)，就是用来确认你做过一定量的工作的一份证明。通常，监测工作过程是极为低效的，而通过对工作的结果的认证来证明完成了相应的工作量，则是一种非常高效的方式。比如现实生活中的毕业证、驾驶证等，也是通过检验结果的方式（通过相关的考试）所取得的证明。

区块链的工作量证明，就是由系统给出一个难题，让节点们各自通过计算来解决这个难题。凡是声称解决难题的节点，都要把自己的答案交由其它节点进行验证，最终选出优胜者，由它来负责生成新的区块。为什么节点有动力耗费自己的资源去解决难题呢？因为新区块的生成者有一定的奖励，这就是比特币中所说的挖矿。在区块链中，网络的一些参与者（矿工）努力维持网络，向其添加新区块，并获得对其工作的奖励。正是由于他们的工作，区块以安全和及时的方式被整合到区块链中，保持了整个区块链数据库的稳定性和连续性。

另外，工作量证明算法必须满足要求：完成工作很难，但验证证明很容易。证明通常会交给其他人，因此对他们来说，验证它不应该花费太多时间。

我们要实现的工作量证明算法与比特币的算法相同，就是给定一个256位的大数字target（称为难度目标），节点们通过变化新区块Block中成员Nonce的数值，使得Block的hash值小于或者等于难度目标target。

Pow表示一个工作量算法结构：

type Pow struct {

    //要进行工作量计算的区块
    block *Block

    //工作量难度目标
    bits int32
}

里面包含一个新创建的区块block和难度目标bits。我们这里做了简化，真正的难度目标应该是256位的大数，我们先用一个32位的整数替代，由bits通过简单的变换生成256位的难度目标，下面有具体的变换算法。

我们通过不断变换nonce值来计算区块的hash，找到符合给定难度目标的nonce值

func (pow *Pow) Run() {

    //将0x1左移pow.bits位生成一个256位的大整数target，这是真正的难度目标值
    target := big.NewInt(1)
    target.Lsh(target, uint(pow.bits))

    //通过不断变换nonce值来计算区块的hash，直至找到小于或等于target的nonce值
    var hashInt big.Int
    for nonce := int32(0); nonce < math.MaxInt32; nonce++ {
        hashInt.SetBytes(pow.getHash(pow.bits, nonce))
        if hashInt.Cmp(target) <= 0 {
            //找到合适的nonce值，将其写入block中
            pow.block.Nonce = nonce
            pow.block.Bits = pow.bits
            break
        }
    }
}

另外，修改一下BlockBrowser的显示，能够打印出找到随机数nonce：

    content = content + "当前区块哈希值：" + BytesToHex(block.GetHash()) + "
"
    content = content + "当前区块内容为：" +  string(block.Data) + "
"
    content = content + "当前区块Nonce为：" +  strconv.Itoa(int(block.Nonce)) + "
"
    content = content + "前一区块哈希值：" +  BytesToHex(block.HashPrevBlock) + "
"
    content = content + "=============================================" + "
"

运行后输出：

    当前MiniBC区块链高度：10

    当前区块哈希值：6068fa9b758532a182be2552e0e532c99e2c5717f6696558d008eec5f5c7cb87
    当前区块内容为：MiniBC Block 9
    当前区块Nonce为：7746
    前一区块哈希值：97100d2c4efe4f11ac4508d5da17816b738d99795021de5676aebf90868990e0
    =============================================
    当前区块哈希值：97100d2c4efe4f11ac4508d5da17816b738d99795021de5676aebf90868990e0
    当前区块内容为：MiniBC Block 8
    当前区块Nonce为：2311874
    前一区块哈希值：5bc776166df69054ed1490670ee7ad38cefea49ba3799749a9c47381c6e152ad
    =============================================
    当前区块哈希值：5bc776166df69054ed1490670ee7ad38cefea49ba3799749a9c47381c6e152ad
    当前区块内容为：MiniBC Block 7
    当前区块Nonce为：9428
    前一区块哈希值：9d2afa19dfbf840387f71bbabebd7dd4358999151bcf5a496a838eeb2afebd79
    =============================================

当前区块Nonce显示内容是我们通过计算找到的随机数。

一切正常~~~~~~~

我们实现的和将要实现的

我们已经构建了一个简单的区块链，并且实现了一个KV数据库、区块链浏览器和工作量证明，下一步来实现交易Transaction。

交流和疑问

大家可以从v001开始逐步深入的研究学习，每个源码文件均有完整的说明和注释。如果有疑问、建议和不明白的问题，尽可以与我联系。

MiniBC区块链交流可以加入qq群：777804802，go开发者乐园
我的微信：bkra50
github addr: https://github.com/wangshizebin/minibc

另外，招募一群志同道合者，共同维护项目，共同推进项目，为开源世界贡献力量，欢迎勾搭。

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