翻譯的系列文章我已經(jīng)放到了 GitHub 上：blockchain-tutorial乔询，后續(xù)如有更新都會(huì)在 GitHub 上与境，可能就不在這里同步了绅作。如果想直接運(yùn)行代碼塘幅，也可以 clone GitHub 上的教程倉(cāng)庫(kù)营曼，進(jìn)入 src 目錄執(zhí)行 make 即可乒验。
在 前面一文 中，我們構(gòu)造了一個(gè)非常簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)蒂阱，這個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)也是整個(gè)區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)庫(kù)的核心锻全。目前所完成的區(qū)塊鏈原型，已經(jīng)可以通過鏈?zhǔn)疥P(guān)系把區(qū)塊相互關(guān)聯(lián)起來：每個(gè)塊都被連接到前一個(gè)塊录煤。
但是鳄厌，我們實(shí)現(xiàn)的區(qū)塊鏈有一個(gè)巨大的缺點(diǎn)：向鏈中加入?yún)^(qū)塊太容易和廉價(jià)了。而區(qū)塊鏈和比特幣的其中一個(gè)核心就是妈踊，要想加入新的區(qū)塊了嚎，必須先完成一些非常困難的工作。在本文廊营，我們將會(huì)解決這個(gè)缺點(diǎn)歪泳。
工作量證明
區(qū)塊鏈的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)就是，一個(gè)人必須經(jīng)過一系列困難的工作露筒，才能將數(shù)據(jù)放入到區(qū)塊鏈中呐伞。正是這種困難的工作，才使得區(qū)塊鏈?zhǔn)前踩鸵恢碌纳魇健４送饬媲猓瓿蛇@個(gè)工作的人也會(huì)獲得獎(jiǎng)勵(lì)（這也就是通過挖礦獲得幣）趟径。
這個(gè)機(jī)制與生活的一個(gè)現(xiàn)象非常類似：一個(gè)人必須通過努力工作，才能夠獲得回報(bào)或者獎(jiǎng)勵(lì)鞍历，用以支撐他們的生活舵抹。在區(qū)塊鏈中，是通過網(wǎng)絡(luò)中的參與者（礦工）不斷的工作來支撐整個(gè)網(wǎng)絡(luò)劣砍，也就是礦工不斷地向區(qū)塊鏈中加入新塊惧蛹，然后獲得相應(yīng)的獎(jiǎng)勵(lì)。作為他們努力工作的結(jié)果刑枝，新生成的區(qū)塊就能夠被安全地被加入到區(qū)塊鏈中香嗓，這種機(jī)制維護(hù)了整個(gè)區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)庫(kù)的穩(wěn)定性。值得注意的是装畅，完成了這個(gè)工作的人必須要證明這一點(diǎn)靠娱，他必須要證明確實(shí)是他完成了這些工作。
整個(gè) “努力工作并進(jìn)行證明” 的機(jī)制掠兄，就叫做工作量證明（proof-of-work）像云。要想完成工作非常地不容易，因?yàn)檫@需要大量的計(jì)算能力：即便是高性能計(jì)算機(jī)蚂夕，也無(wú)法在短時(shí)間內(nèi)快速完成迅诬。此外，這個(gè)工作的困難度會(huì)隨著時(shí)間不斷增長(zhǎng)婿牍，以保持每個(gè)小時(shí)大概出 6 個(gè)新塊的速度侈贷。在比特幣中，這個(gè)工作的目的是為了找到一個(gè)塊的哈希等脂，同時(shí)這個(gè)哈希滿足了一些必要條件俏蛮。這個(gè)哈希，也就充當(dāng)了證明的角色上遥。因此搏屑，尋求證明（尋找有效哈希），就是實(shí)際要做的事情露该。
哈希計(jì)算
在本節(jié)中睬棚，我們會(huì)討論哈希計(jì)算。如果你已經(jīng)熟悉了這個(gè)概念解幼，可以跳過這一節(jié)抑党。
獲得指定數(shù)據(jù)的一個(gè)哈希值的過程，就叫做哈希計(jì)算撵摆。一個(gè)哈希底靠，就是對(duì)所計(jì)算數(shù)據(jù)的一個(gè)唯一的表示。一個(gè)哈希函數(shù)輸入任意大小的數(shù)據(jù)特铝，輸出一個(gè)固定大小的哈希值暑中。下面是哈希的幾個(gè)關(guān)鍵特性：
- 無(wú)法從一個(gè)哈希值恢復(fù)原始數(shù)據(jù)壹瘟。也就是說，哈希并不是加密鳄逾。
- 對(duì)于特定的數(shù)據(jù)稻轨，只能有一個(gè)哈希，并且這個(gè)哈希是唯一的雕凹。
- 即使是僅僅改變輸入數(shù)據(jù)中的一個(gè)字節(jié)殴俱，也會(huì)導(dǎo)致輸出一個(gè)完全不同的哈希。
哈希函數(shù)被廣泛用于檢測(cè)數(shù)據(jù)的一致性枚抵。一些軟件提供者除了提供軟件包以外线欲，還會(huì)發(fā)布校驗(yàn)和。當(dāng)下載完一個(gè)文件以后汽摹，你可以用哈希函數(shù)對(duì)下載好的文件計(jì)算一個(gè)哈希李丰，并與作者提供的哈希進(jìn)行比較，以此來保證文件下載的完整性逼泣。
在區(qū)塊鏈中趴泌，哈希被用于保證一個(gè)塊的一致性。哈希算法的輸入數(shù)據(jù)包含了前一個(gè)塊的哈希拉庶，因此使得不太可能（或者踱讨，至少很困難）去修改鏈中的一個(gè)塊：因?yàn)槿绻粋€(gè)人想要修改前面一個(gè)塊的哈希，那么他必須要重新計(jì)算這個(gè)塊以及后面所有塊的哈希砍的。
Hashcash
比特幣使用 Hashcash ，一個(gè)最初用來防止垃圾郵件的工作量證明算法莺治。它可以被分解為以下步驟：
- 取一些公開的數(shù)據(jù)（比如廓鞠，如果是 email 的話，它可以是接收者的郵件地址谣旁；在比特幣中床佳，它是區(qū)塊頭）
- 給這個(gè)公開數(shù)據(jù)添加一個(gè)計(jì)數(shù)器。計(jì)數(shù)器默認(rèn)從 0 開始
- 將 data(數(shù)據(jù)) 和 counter(計(jì)數(shù)器) 組合到一起榄审，獲得一個(gè)哈希
- 檢查哈希是否符合一定的條件：
- 如果符合條件砌们，結(jié)束
- 如果不符合，增加計(jì)數(shù)器搁进，重復(fù)步驟 3-4
因此浪感，這是一個(gè)暴力算法：改變計(jì)數(shù)器，計(jì)算一個(gè)新的哈希饼问，檢查影兽，增加計(jì)數(shù)器，計(jì)算一個(gè)哈希莱革，檢查峻堰，如此反復(fù)讹开。這也是為什么說它是在計(jì)算上是非常昂貴的，因?yàn)檫@一步需要如此反復(fù)不斷地計(jì)算和檢查捐名。
現(xiàn)在，讓我們來仔細(xì)看一下一個(gè)哈希要滿足的必要條件镶蹋。在原始的 Hashcash 實(shí)現(xiàn)中，它的要求是 “一個(gè)哈希的前 20 位必須是 0”梅忌。在比特幣中，這個(gè)要求會(huì)隨著時(shí)間而不斷變化牧氮。因?yàn)榘凑赵O(shè)計(jì)，必須保證每 10 分鐘生成一個(gè)塊踱葛，而不論計(jì)算能力會(huì)隨著時(shí)間增長(zhǎng)丹莲，或者是會(huì)有越來越多的礦工進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)，所以需要?jiǎng)討B(tài)調(diào)整這個(gè)必要條件尸诽。
為了闡釋這一算法甥材，我從前一個(gè)例子（“I like donuts”）中取得數(shù)據(jù)，并且找到了一個(gè)前 3 個(gè)字節(jié)是全是 0 的哈希性含。
ca07ca 是計(jì)數(shù)器的 16 進(jìn)制值洲赵，十進(jìn)制的話是 13240266.
實(shí)現(xiàn)
好了，完成了理論層面商蕴，來開始寫代碼吧叠萍！首先，定義挖礦的難度值：
const targetBits = 24
在比特幣中绪商，當(dāng)一個(gè)塊被挖出來以后苛谷，“target bits” 代表了區(qū)塊頭里存儲(chǔ)的難度。這里的 24 指的是算出來的哈希前 24 位必須是 0格郁，用 16 進(jìn)制表示化的話腹殿，就是前 6 位必須是 0，這一點(diǎn)可以在最后的輸出可以看出來例书。目前不會(huì)實(shí)現(xiàn)一個(gè)動(dòng)態(tài)調(diào)整目標(biāo)的算法锣尉，所以將難度定義為一個(gè)全局的常量即可。
24 其實(shí)是一個(gè)可以任意取的數(shù)字决采，目的是要有一個(gè)目標(biāo)（target）而已悟耘，這個(gè)目標(biāo)占據(jù)不到 256 位的內(nèi)存空間。同時(shí)织狐，我們想要有足夠的差異性暂幼，但是又不至于大的過分筏勒，因?yàn)椴町愋栽酱螅驮诫y找到一個(gè)合適的哈希旺嬉。
type ProofOfWork struct {
block *Block
target *big.Int
}
func NewProofOfWork(b *Block) *ProofOfWork {
target := big.NewInt(1)
target.Lsh(target, uint(256-targetBits))
pow := &ProofOfWork{b, target}
return pow
}
這里管行，我們構(gòu)造了 ProofOfWork 結(jié)構(gòu)，里面存儲(chǔ)了指向一個(gè)塊和一個(gè)目標(biāo)的指針邪媳【枨辏“目標(biāo)” ，也就是前一節(jié)中所描述的必要條件雨效。這里使用了一個(gè) 大 整數(shù)迅涮，我們將哈希與目標(biāo)進(jìn)行比較：先把一個(gè)哈希轉(zhuǎn)換成一個(gè)大整數(shù)叮姑，然后檢測(cè)它是否小于目標(biāo)传透。
在 NewProofOfWork 函數(shù)中朱盐，我們將 big.Int 初始化為 1兵琳，然后左移 256 - targetBits 位闰围。256 是一個(gè) SHA-256 哈希的位數(shù)，我們將要使用的是 SHA-256 哈希算法碧查。target（目標(biāo)） 的 16 進(jìn)制形式為：
0x10000000000000000000000000000000000000000000000000000000000
它在內(nèi)存上占據(jù)了 29 個(gè)字節(jié)忠售。下面是與前面例子哈希的形式化比較：
0fac49161af82ed938add1d8725835cc123a1a87b1b196488360e58d4bfb51e3
0000010000000000000000000000000000000000000000000000000000000000
0000008b0f41ec78bab747864db66bcb9fb89920ee75f43fdaaeb5544f7f76ca
第一個(gè)哈希（基于 “I like donuts” 計(jì)算）比目標(biāo)要大稻扬，因此它并不是一個(gè)有效的工作量證明泰佳。第二個(gè)哈希（基于 “I like donutsca07ca” 計(jì)算）比目標(biāo)要小，所以是一個(gè)有效的證明浇坐。
譯者注：評(píng)論有人提出上面的形式化比較有些“言不符實(shí)”近刘，其實(shí)它應(yīng)該并非由 “I like donuts” 而來觉渴，但是原文作者表達(dá)的意思是沒問題的案淋，可能是疏忽而已哎迄。下面是我做的一個(gè)小實(shí)驗(yàn)：
package main
import (
"crypto/sha256"
"fmt"
"math/big"
)
func main() {
data1 := []byte("I like donuts")
data2 := []byte("I like donutsca07ca")
targetBits := 24
target := big.NewInt(1)
target.Lsh(target, uint(256-targetBits))
fmt.Printf("%x\n", sha256.Sum256(data1))
fmt.Printf("%64x\n", target)
fmt.Printf("%x\n", sha256.Sum256(data2))
}
輸出：
你可以把目標(biāo)想象為一個(gè)范圍的上界：如果一個(gè)數(shù)（由哈希轉(zhuǎn)換而來）比上界要小翔烁，那么這是有效的蹬屹，反之無(wú)效慨默。因?yàn)橐蟊壬辖缫』⌒龋詴?huì)導(dǎo)致更少的有效數(shù)字。因此虾攻，也就需要通過困難的工作（一系列反復(fù)的計(jì)算）霎箍，才能找到一個(gè)有效的數(shù)字漂坏。
現(xiàn)在顶别，我們需要有數(shù)據(jù)來進(jìn)行哈希，準(zhǔn)備數(shù)據(jù)：
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)),
},
[]byte{},
)
return data
}
這個(gè)部分比較直觀：只需要將 target 蒂胞，nonce 與 Block 進(jìn)行合并骗随。這里的 nonce 鸿染，就是上面 Hashcash 所提到的計(jì)數(shù)器乞巧，它是一個(gè)密碼學(xué)術(shù)語(yǔ)绽媒。
很好是辕，到這里，所有的準(zhǔn)備工作就完成了旁蔼，下面來實(shí)現(xiàn) PoW 算法的核心：
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)
hashInt.SetBytes(hash[:])
if hashInt.Cmp(pow.target) == -1 {
fmt.Printf("\r%x", hash)
break
} else {
nonce++
}
}
fmt.Print("\n\n")
return nonce, hash[:]
}
首先我們對(duì)變量進(jìn)行初始化：
- HashInt 是 hash 的整形表示；
- nonce 是計(jì)數(shù)器贞谓。
然后開始一個(gè) “無(wú)限” 循環(huán)：maxNonce 對(duì)這個(gè)循環(huán)進(jìn)行了限制, 它等于 math.MaxInt64裸弦。這是為了避免 nonce 可能出現(xiàn)的溢出烁兰。盡管我們的 PoW 實(shí)現(xiàn)的難度太小了沪斟，以至于計(jì)數(shù)器其實(shí)不太可能會(huì)溢出主之，但最好還是以防萬(wàn)一檢查一下。
在這個(gè)循環(huán)中几睛，我們做的事情有：
- 準(zhǔn)備數(shù)據(jù)
- 用 SHA-256 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行哈希
- 將哈希轉(zhuǎn)換成一個(gè)大整數(shù)
- 將這個(gè)大整數(shù)與目標(biāo)進(jìn)行比較
跟之前所講的一樣簡(jiǎn)單∷現(xiàn)在我們可以移除 Block 的 SetHash 方法焕济，然后修改 NewBlock 函數(shù)：
func NewBlock(data string, prevBlockHash []byte) *Block {
block := &Block{time.Now().Unix(), []byte(data), prevBlockHash, []byte{}, 0}
pow := NewProofOfWork(block)
nonce, hash := pow.Run()
block.Hash = hash[:]
block.Nonce = nonce
return block
}
在這里晴弃，你可以看到 nonce 被保存為 Block 的一個(gè)屬性上鞠。這是十分有必要的芍阎，因?yàn)榇龝?huì)兒我們需要用 nonce 來對(duì)這個(gè)工作量進(jìn)行證明能曾。Block 結(jié)構(gòu)現(xiàn)在看起來像是這樣：
type Block struct {
Timestamp int64
Data []byte
PrevBlockHash []byte
Hash []byte
Nonce int
}
好了！現(xiàn)在讓我們來運(yùn)行一下是否正常工作：
Mining the block containing "Genesis Block"
00000041662c5fc2883535dc19ba8a33ac993b535da9899e593ff98e1eda56a1
Mining the block containing "Send 1 BTC to Ivan"
00000077a856e697c69833d9effb6bdad54c730a98d674f73c0b30020cc82804
Mining the block containing "Send 2 more BTC to Ivan"
000000b33185e927c9a989cc7d5aaaed739c56dad9fd9361dea558b9bfaf5fbe
Prev. hash:
Data: Genesis Block
Hash: 00000041662c5fc2883535dc19ba8a33ac993b535da9899e593ff98e1eda56a1
Prev. hash: 00000041662c5fc2883535dc19ba8a33ac993b535da9899e593ff98e1eda56a1
Data: Send 1 BTC to Ivan
Hash: 00000077a856e697c69833d9effb6bdad54c730a98d674f73c0b30020cc82804
Prev. hash: 00000077a856e697c69833d9effb6bdad54c730a98d674f73c0b30020cc82804
Data: Send 2 more BTC to Ivan
Hash: 000000b33185e927c9a989cc7d5aaaed739c56dad9fd9361dea558b9bfaf5fbe
成功了俱萍！你可以看到每個(gè)哈希都是 3 個(gè)字節(jié)的 0 開始，并且獲得這些哈希需要花費(fèi)一些時(shí)間。
還剩下一件事情需要做优俘，對(duì)工作量證明進(jìn)行驗(yàn)證：
func (pow *ProofOfWork) Validate() bool {
var hashInt big.Int
data := pow.prepareData(pow.block.Nonce)
hash := sha256.Sum256(data)
hashInt.SetBytes(hash[:])
isValid := hashInt.Cmp(pow.target) == -1
return isValid
}
這里帆焕，就是我們就用到了上面保存的 nonce。
再來檢測(cè)一次是否正常工作：
func main() {
...
for _, block := range bc.blocks {
...
pow := NewProofOfWork(block)
fmt.Printf("PoW: %s\n", strconv.FormatBool(pow.Validate()))
fmt.Println()
}
}
輸出：
...
Prev. hash:
Data: Genesis Block
Hash: 00000093253acb814afb942e652a84a8f245069a67b5eaa709df8ac612075038
PoW: true
Prev. hash: 00000093253acb814afb942e652a84a8f245069a67b5eaa709df8ac612075038
Data: Send 1 BTC to Ivan
Hash: 0000003eeb3743ee42020e4a15262fd110a72823d804ce8e49643b5fd9d1062b
PoW: true
Prev. hash: 0000003eeb3743ee42020e4a15262fd110a72823d804ce8e49643b5fd9d1062b
Data: Send 2 more BTC to Ivan
Hash: 000000e42afddf57a3daa11b43b2e0923f23e894f96d1f24bfd9b8d2d494c57a
PoW: true
從下圖可以看出，這次我們產(chǎn)生三個(gè)塊花費(fèi)了一分多鐘沾瓦，比沒有工作量證明之前慢了很多（也就是成本高了很多）：
總結(jié)
我們的區(qū)塊鏈離真正的區(qū)塊鏈又進(jìn)了一步：現(xiàn)在需要經(jīng)過一些困難的工作才能加入新的塊贯莺，因此挖礦就有可能了乖篷。但是撕蔼，它還缺少一些至關(guān)重要的特性：區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)庫(kù)并不是持久化的鲸沮，沒有錢包讼溺，地址怒坯，交易藻懒，也沒有共識(shí)機(jī)制嬉荆。不過鄙早，所有的這些限番，我們都會(huì)在接下來的文章中實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)在扩灯，愉快地挖礦吧驴剔！
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