前言
Ethash實現(xiàn)了PoW嚎京，PoW的精妙在于通過一個隨機數(shù)確定啃擦，礦工確實做了大量的工作起意，并且是沒有辦法作弊的。接下來將介紹：
- Ethash的挖礦本質变屁。
- Ethash是如何挖礦的眼俊。
- 如何驗證Ethash的隨機數(shù)。
Ethash的挖礦本質
挖礦的本質是找到一個隨機數(shù)粟关，證明自己做了很多工作（計算）疮胖。在Ethash中，該隨機數(shù)稱為Nonce闷板，它需要滿足一個公式：
Rand(hash, nonce) ≤ MaxValue / Difficulty
其中澎灸，
- hash：去除區(qū)塊頭中Nonce、MixDigest生成的哈希值遮晚，見
HashNoNonce()性昭。 - nonce：待尋找的符合條件的隨機數(shù)。
- MaxValue：固定值2^256县遣，生成的哈希值的最大取值糜颠。
- Difficulty：挖礦難度汹族。
- Rand()：使用hash和nonce生成一個哈希值，這其中包含了很多哈希運算其兴。
以上參數(shù)中顶瞒，在得到區(qū)塊頭的hash之后，只有nonce是未知的元旬。
公式的含義是榴徐，使用hash和nonce生成的哈希值必須落在合法的區(qū)間。利用下圖介紹一下匀归，Rand()函數(shù)結果取值范圍是[0, MaxValue]坑资，但只有計算出的哈希值在[0, MaxValue / Difficulty]內，才是符合條件的哈希值穆端，進而該Nonce才是符合條件的袱贮，否則只能再去尋找下一個Nonce。
以太坊可以通過調整Difficulty來調節(jié)當前挖礦的難度徙赢，Difficulty越大字柠，挖礦的難度越大探越。當Difficulty越大時狡赐， MaxValue / Difficulty越小，合法的哈希值范圍越小钦幔，造成挖礦難度增加枕屉。
哈希值滿足條件的概率是 p = (MaxValue / Difficulty) / MaxValue = 1 / Difficulty，礦工需要進行1 / p = Difficulty次的判斷鲤氢，才有可能找到一個符合條件的Nonce搀擂，當前以太坊難度為3241847139727150。
如何挖礦
Ethash挖礦的主要思想是卷玉，開啟多個線程去尋找符合條件的Nonce哨颂，給每個線程分配一個隨機數(shù)，作為本線程的Nonce的初始值相种，然后每個線程判斷當前的Nonce是否符合上面的公式威恼，如果不符合，則把Nonce加1寝并，再次進行判斷箫措，這樣不定的迭代下去，直到找到一個符合條件的Nonce衬潦，或者挖礦被叫停斤蔓。
接下來介紹挖礦的幾個主要函數(shù)的實現(xiàn)，它們是：
- 挖礦的入口Seal函數(shù)镀岛。
- 挖礦函數(shù)mine函數(shù)弦牡。
- 挖礦需要的數(shù)據(jù)cache和dataset友驮。
- Rand()函數(shù)的實現(xiàn)hashimotoFull和hashimoto。
挖礦入口Seal()
Seal是引擎的挖礦入口函數(shù)喇伯，它是管理崗位喊儡，負責管理挖礦的線程。它發(fā)起多個線程執(zhí)行Ethash.mine進行并行挖礦稻据，當要更新或者停止的時候艾猜，重新啟動或停止這些線程。
挖礦函數(shù)mine()
mine函數(shù)負責挖礦捻悯。Seal在啟動每一個mine的時候匆赃，給它分配了一個seed，mine會把它作為Nonce的初始值今缚，然后生成本高度使用的dataset算柳，然后把dataset, hash, nonce傳遞給hashimotoFull函數(shù)，這個函數(shù)可以認為是原理介紹中的Rand隨機函數(shù)姓言，他會生成哈希值Result瞬项，當Result <= Target的時候，說明哈希值落在符合條件的區(qū)間了何荚，mine找到了符合條件的Nonce囱淋，使用Digest和nonce組成新的區(qū)塊后，發(fā)送給Seal餐塘，否則驗證下一個Nonce是否是符合條件的妥衣。
挖礦需要的數(shù)據(jù)cache和dataset
dataset用來生成Result，而cache用來生成dataset戒傻。至于如何使用dataset生成Result在hashimoto()中講述税手，本節(jié)介紹如何生成dataset。
dataset和cache中存放的都是偽隨機數(shù)需纳，每個epoch的區(qū)塊使用相同的cache和dataset芦倒，并且dataset需要暫用大量的內存。剛開始時cache是16MB不翩，dataset是1GB兵扬，但每個epoch它們就會增大一次，它們的大小分別定義在datasetSizes和cacheSizes慌盯，dataset每次增長8MB周霉，最大能達到16GB，所以挖礦的節(jié)點必須有足夠大的內存亚皂。
使用cache生成dataset俱箱。使用cache的部分數(shù)據(jù)，進行哈希和異或運算灭必，就能生成一組dataset的item狞谱，比如下圖中的cache中黃色塊乃摹，能生成dataset中的黃色塊，最后把這些Item拼起來就生成了完整的Dataset跟衅，完成該功能的函數(shù)是generateDataset孵睬。
dataset.generate()是dataset的生成函數(shù)，該函數(shù)只執(zhí)行一次伶跷，先使用generateCache()生成cache掰读，再將cache作為generateDataset()的入?yún)⑸蒬ataset，其中需要重點關注的是generateDatasetItem()叭莫，該函數(shù)是根據(jù)部分cache蹈集，生成一組dataset item，驗證PoW的nonce的時候雇初，也需要使用該函數(shù)拢肆。
Rand()的實現(xiàn)hashimotoFull()和hashimoto()
hashimotoFull功能是使用dataset、hash和nonce生成Digest和Result靖诗。它創(chuàng)建一個獲取dataset部分數(shù)據(jù)的lookup函數(shù)郭怪，該函數(shù)能夠返回連續(xù)的64字節(jié)dataset中的數(shù)據(jù)，然后把lookup函數(shù)刊橘、hash和nonce傳遞給hashimoto米辐。
hashimoto的功能是根據(jù)hash和nonce琼富，以及l(fā)ookup函數(shù)生成Digest和Result侠坎，lookup函數(shù)能夠返回64字節(jié)的數(shù)據(jù)就行杀餐。它把hash和nonce合成種子据途，然后根據(jù)種子生成混合的數(shù)據(jù)mix绞愚，然后進入一個循環(huán)，使用mix和seed獲得dataset的行號颖医，使用lookup獲取指定行的數(shù)據(jù)位衩，然后把數(shù)據(jù)混合到mix中，混合的方式是使用哈希和異或運算熔萧，循環(huán)結束后再使用哈希和異或函數(shù)把mix壓縮為64字節(jié)糖驴，把mix轉為小端模式就得到了Digest，把seed和mix進行hash運算得到Result佛致。
如何驗證
PoW的驗證是證明出塊人確實進行了大量的哈希計算贮缕。Ethash驗證區(qū)塊頭中的Nonce和MixDigest是否合法，如果驗證通過俺榆，則認為出塊人確實進行了大量的哈希運算感昼。驗證方式是確定區(qū)塊頭中的Nonce是否符合公式，并且區(qū)塊頭中的MixDigest是否與使用此Nonce計算出的是否相同罐脊。
驗證與挖礦相比定嗓，簡直是毫不費力蜕琴，因為：
- 時間節(jié)省。驗證只進行1次
hashimoto運算宵溅，而挖礦進行大約Difficulty次凌简。 - 空間節(jié)省。驗證只需要cache恃逻，不需要dataset雏搂，也就不需要計算龐大的dataset，因此不挖礦的驗證節(jié)點寇损，不需要很高的配置畔派。
接下來介紹驗證函數(shù)VerifySeal()，以及根據(jù)cache生成Digest和Result的hashimotoLight()润绵。
驗證函數(shù)VerifySeal
Ethash.VerifySeal實現(xiàn)PoW驗證功能线椰。首先先判斷區(qū)塊中的Difficulty是否匹配，然后生成（獲瘸九巍）當前區(qū)塊高度的cache憨愉，把cache和nonce傳遞給hashimotoLight，該函數(shù)能根據(jù)cache, hash, nonce生成Digest和Result卿捎，然后校驗Digest是否匹配以及Result是否符合條件配紫。
hashimotoLight函數(shù)
hashimotoLight使用cache, hash, nonce生成Digest和Result。生成Digest和Result只需要部分的dataset數(shù)據(jù)午阵，而這些部分dataset數(shù)據(jù)時可以通過cache生成躺孝，因此也就不需要完整的dataset。它把generateDatasetItem函數(shù)封裝成了獲取部分dataset數(shù)據(jù)的lookup函數(shù)底桂，然后傳遞給hashimoto計算出Digest和Result植袍。
FAQ
- Q：每30000個塊使用同一個dataset，那可以提前挖出一些合法的Nonce籽懦？
A： 不行于个。提前挖去Nonce，意味著還不知道區(qū)塊頭的hash暮顺，因此無法生成合法的Nonce厅篓。 - Q：能否根據(jù)符合條件的哈希值，反推出Nonce呢捶码？
A：不行羽氮。因為哈希運算具有不可逆性，不能根據(jù)摘要反推出明文惫恼，同理根據(jù)哈希值也無法推出Nonce档押。
