Go实现区块链（二）---工作量证明

1.前言

前面我们已经介绍了区块链基本原型，接下来我们实现一个简易版的工作量证明，也就是我们所说的挖矿。可能我们经常在听别人说比特币的挖矿就是做算术题，谁先算出来就将会得到矿工费。今天先讨论这算术题目是什么？这算术题正确答案是怎么解除来的。

比特币可以用笔和纸来挖吗？

当看我第一次看到这个问题的时候好奇地点了进去，心理一句:贫穷限制了我的想象力。
https://www.zhihu.com/question/65177936/answer/228905870

2.知识准备

知识点	学习网页	特性
HASH	Hash	1.不可逆性。不能根据一个哈希值推导出原始数据。所以，哈希不是加密。2.唯一性。每个数据有且仅有一个唯一的哈希值。3.迥异性。原始数据一丁点的变化都将得到完全不一样的哈希值。
Hashcash	Hashcash	1.一种最初被用于反垃圾邮件的算法。

3.Hashcash算法流程图

Hashcash算法流程

看了以上流程图，你应该清楚比特币出了一道什么样的题，我们计算机挖矿又是怎么答题的了。比特币挖矿为什么耗资源，因为上面流程就是一直在不停地暴力计算。

4.思路

• 写入区块链中先要去挖矿(pow)
• 挖矿计数器每次都从0开始算，直到算出hash值小于目标值。(比特币的目标值是随着时间推移会改变的。详情：《精通比特币 （第二版）》第10章)
• 验证区块Hash是否有效。
• 在原始的Hashcash算法中，这个特殊的要求指的是计算出来的哈希值的前20bit必须全是零，
  在比特币种，这种要求哈希值前面有多少个零打头的要求是随着时间的推移而不断调整的，这是出于设计的目的，尽管在计算机的算力会不断的提升和越来越多的矿工加入这个网络中的情况下，都要保证每10min生产一个区块。

# 计算字符串'I like donuts'的哈希值
SHA256("I like donuts") ——> f80867f6efd4484c23b0e7184e53fe4af6ab49b97f5293fcd50d5b2bfa73a4d0 
# 拼接一个计数器值(ca07ca)，再次进行Hash计算 
SHA256("I like donutsca07ca") ——> 0000002f7c1fe31cb82acdc082cfec47620b7e4ab94f2bf9e096c436fc8cee06

这里的ca07ca是计数器值的十六进制，他表示的十进制值为13240266

即，从0开始，总共计算了13240266次，才计算出I like donuts这个数据的Hash值，满足前6位(3字节)全是零。

5.工作量代码实现

const targetBits = 20

//工作量证明
type ProofOfWork struct {
    block  *Block //区块体
    target *big.Int //挖矿目标值
}

// 新的工作量证明，并且得到一个难度值
func NewProofOfWork(b *Block) *ProofOfWork {
    //这里将数字1左移256-20=236位得到难度计算值
    target := big.NewInt(1)
    target.Lsh(target, uint(256-targetBits))

    pow := &ProofOfWork{b, target}

    return pow
}

1)创建一个工作量证明，设置工作难度值。这里是将1左移256-targetBits位后得道一个固定目标值。事实比特币中的目标值就随机的。我们这里给一个固定的值。

//将区块体里面的数据转换成一个字节码数组，为下一个区块准备数据
func (pow *ProofOfWork) prepareData(nonce int) []byte {
    //注意一定要将原始数据转换成[]byte，不能直接从字符串转
    data := bytes.Join(
        [][]byte{
            pow.block.PrevBlockHash,
            pow.block.Data,
            utils.IntToHex(pow.block.Timestamp),
            utils.IntToHex(int64(targetBits)),
            utils.IntToHex(int64(nonce)),
        },
        []byte{},
    )

    return data
}

// 运行工作量证明，开始挖矿，找到小于难度目标值的Hash
func (pow *ProofOfWork) Run() (int, []byte) {
    var hashInt big.Int
    var hash [32]byte
    nonce := 0

    fmt.Printf("Mining the block containing \"%s\"\n", pow.block.Data)
    for nonce < maxNonce {

        data := pow.prepareData(nonce)

        hash = sha256.Sum256(data)
        fmt.Printf("\r Dig into mine  %x", hash)
        hashInt.SetBytes(hash[:])

        if hashInt.Cmp(pow.target) == -1 {

            break
        } else {
            nonce++
        }
    }
    fmt.Print("\n\n")
    return nonce, hash[:]
}

2)数据准备，先把前一块数据组一个字节数组(data=Hash+Data+PrevBlockHash+Timestamp+Nonce)，然后sha256(data)得道一个新的hash如果值小于上面我们定义的目标值，那么这个时候返回计数器的值和hash。

//生成一个新的区块方法
func NewBlock(data string, prevBlockHash []byte) *Block{
    //GO语言给Block赋值{}里面属性顺序可以打乱，但必须制定元素 如{Timestamp:time.Now().Unix()...}
    block := &Block{Timestamp:time.Now().Unix(), Data:[]byte(data), PrevBlockHash:prevBlockHash, Hash:[]byte{},Nonce:0}

    //工作证明
    pow :=NewProofOfWork(block)
    //工作量证明返回计数器和hash
    nonce, hash := pow.Run()
    block.Hash = hash[:]
    block.Nonce = nonce
    return block
}

每次生产一个新区块都必先制作一个工作量，然后去挖矿。

6.演示

func main() {

    //创世块
    bc :=block.NewBlockchain()
    //添加第2块
    bc.AddBlock("Send 1 BTC to even")
    //添加第3块
    bc.AddBlock("Send 2 more BTC to even")
    //迭代数组里面的数据
    for _, block := range bc.Blocks {
        fmt.Printf("Prev. hash: %x\n", block.PrevBlockHash)
        fmt.Printf("Data: %s\n", block.Data)
        fmt.Printf("Hash: %x\n", block.Hash)
        fmt.Printf("Nonce: %d\n",block.Nonce)
        //校验数据
        fmt.Printf("PoW: %s\n", strconv.FormatBool(block.Validate()))
        fmt.Println()

    }
}

结果输出

Mining the block containing "Genesis Block"
 Dig into mine  000006e591b0c446ff57c286b4827a5cb5b095925a70c0ec80e7ddae2d14c16c

Mining the block containing "Send 1 BTC to even"
 Dig into mine  00000fd798dc5d76e03ed0cb925a76229563d59e06a5ca6f71837e6d65da4595

Mining the block containing "Send 2 more BTC to even"
 Dig into mine  00000c380a102e41d1c9ab8ffe76004eab79cb5a806c1db4b872f56e69039408

Prev. hash: 
Data: Genesis Block
Hash: 000006e591b0c446ff57c286b4827a5cb5b095925a70c0ec80e7ddae2d14c16c
Nonce: 1107793
PoW: true

Prev. hash: 000006e591b0c446ff57c286b4827a5cb5b095925a70c0ec80e7ddae2d14c16c
Data: Send 1 BTC to even
Hash: 00000fd798dc5d76e03ed0cb925a76229563d59e06a5ca6f71837e6d65da4595
Nonce: 2929582
PoW: true

Prev. hash: 00000fd798dc5d76e03ed0cb925a76229563d59e06a5ca6f71837e6d65da4595
Data: Send 2 more BTC to even
Hash: 00000c380a102e41d1c9ab8ffe76004eab79cb5a806c1db4b872f56e69039408
Nonce: 157830
PoW: true

资料

• 原文来源：https://jeiwan.cc/posts/building-blockchain-in-go-part-2/
• 本文源码：https://github.com/Even521/study-bitcion-go/tree/part2
• java学习：https://www.jianshu.com/p/66c065018c7a
• 区块链基础视频学习：https://www.bilibili.com/video/av19620321/
• 区块链测试demo：https://anders.com/blockchain/blockchain.html
• 区块链QQ交流群：489512556