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POW共识机制

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发表于 2018-7-2 11:57:02 | 显示全部楼层 |阅读模式
 
POW共识机制
  • 在bitcoin中挖矿目的不是创造新的bitcoin,这是一种激励机制,这种机制也实现了分布式的安全。
  • 参考:《精通比特币》

POW机制简介

POW(Proof of Work),工作量证明机制。我们最直观的理解就是,一份证明,这个证明确认你做了一定的工作量,类似于现代生活中一些检测考试,通过检测考试你就取得了一份证明,只不过这个证明是一个工作量的证明。
工作量证明一开始是以工作量证明系统提出,这个概念来自Cynthia Dwork 和Moni Naor 1993年在学术论文中,是一种拒绝服务攻击和滥用服务的对策,要求发起者需要消耗一定量的计算机资源来进行计算。那么POW这个词汇在1999年 Markus Jakobsson 和Ari Juels的文章中正式提出。
提到工作量证明,一般都会说到hash现金,亚当·贝克(Adam Back)在1997年发明的,用于抵抗邮件的拒绝服务攻击及垃圾邮件网关滥用。在比特币之前,哈希现金被用于垃圾邮件的过滤。哈希现金也被哈尔·芬尼以可重复使用的工作量证明(RPOW)的形式用于一种比特币之前的加密货币实验中。另外,戴伟的B-money、尼克·萨博的比特金(Bit-Gold)这些比特币的先行者,都是在哈希现金的框架下进行挖矿的。

工作证明原理

首先工作量证明需要客户端做一个有难度的工作且得出一个结果,这个结果公布后,验证的一方需要很快能进行验证。这是不对等的。比如我们在一个字符串后加一个随机数(nonce),对这个字符串进行SHA256计算,然后得到的结果用16进制来表示,我们要求这个计算后的16进制表示的初始几位为:0000,那么才能算通过了验证。这种规则就需要计算机去不断的尝试,当然你可以记得其中一些,但是这个概率毕竟是很小的。正常情况下需要不断的输出计算尝试,直到出现正确的要求结果。
数学期望值,计算过程中会统计实际的计算次数,平均后得到的计算的次数,这个数学期望就是要求的“工作量”,当然这是一个符合数学统计学中的概率事件。

bitcoin中的POW共识机制

bitcoin的出现让人们开始了解到POW共识机制,在bitcoin中,把挖矿生成一个新的区块并把交易数据写入区块看做是一道 工作量证明的数学难题,那么这道题目中有四个重点:
1.工作量证明函数:bitcoin中使用的就是SHA256算法,这个算法是输出256位的hash函数(本文不对hash函数和SHA265函数做具体说明)。目前还未出现针对SHA256算法的有效攻击方法,当然通过算法算法漏洞攻击这里不展开讨论。
2.区块头:bitcoin中的一个区块由区块头和区块中包含的交易列表组成(大小为1M),这里简述下区块头的组成:

  • 区块头大小为80字节。
  • 4字节的版本号。
  • 32字节的上一个区块的散列值。
  • 32字节的Merkle Root Hash,体现区块头和区块中的交易的关系,区块中包含的交易列表,通过Merkle Tree算法生成Merkle Root Hash。
  • 4字节的当前的难度值。
  • 4字节的随机数(nonce)。

3.难度值:difficulty,这是一个指标,不恒定。它最为关键的作用就是决定了bitcoin网络中,矿工需要经过多少次hash运算才能获得记账权生成区块,进而获得区块奖励(12.5bitcoin)。bitcoin中区块产生的平均速率是10分钟一个,每经过2016个区块后,节点按照公式:新难度值 = 旧难度值 * ( 过去2016个区块花费时长 / 20160 分钟 )调整难度值。控制区块的平均产生时间,如果产生区块速率比10分钟快,那么增加难度值,比10分钟慢就降低难度。

4.目标值:target,目标值公式:目标值 = 最大目标值 / 难度值
最大目标值是一个恒定值:
0x00000000FFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFF。目标值的大小和难度值是一个反比的关系。在bitcoin中矿工计算出来的区块的hash值必须小于这个目标值。换个说法方便理解:工作量证明过程中不断尝试变换nonce进行SHA256的计算,那么尝试的目的是为了找到一个指定前面有一定数量000的值,这个时候前面要求的0越多,那么表示你的难度越大。
(为什么0越多难度越大?你尝试下用不断扔一对骰子以得到小于一个特定点数的游戏。第一局,目标是12。只要你不扔出两个6, 你就会赢。然后下一局目标为11。玩家只能扔10或更小的点数才能赢,假如目标降低为了2,那就难度可想而知。)

工作量证明过程

整个工作量证明过程其实不复杂。

  • 生成币基交易coinbase。
  • 打包交易,组成一个交易列表。
  • 通过Merkle Tree算法生成Merkle Root Hash。
  • 组装区块头。
  • 区块头作为工作量证明的输入,不断变换nonce值,通过公式:SHA256(SHA256(Block_Header))双重SHA256计算。结果不断和当前网络的目标值进行比对,一旦发现小于了目标值(target),那么工作量证明完成。
  • 广播区块到网络中,网络中节点验证。
  • 验证后等待后续区块生成确认(一般6个)。

大致介绍了POW共识机制。


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