用 Go 构建一个区块链 -- Part 2: 工作量证明

摘要：哈希函数被广泛用于检测数据的一致性。在区块链中，哈希被用于保证一个块的一致性。比特币使用，一个最初用来防止垃圾邮件的工作量证明算法。下面是与前面例子哈希的形式化比较第一个哈希基于计算比目标要大，因此它并不是一个有效的工作量证明。

翻译的系列文章我已经放到了 GitHub 上：blockchain-tutorial，后续如有更新都会在 GitHub 上，可能就不在这里同步了。如果想直接运行代码，也可以 clone GitHub 上的教程仓库，进入 src 目录执行 make 即可。

在前面一文中，我们构造了一个非常简单的数据结构，这个数据结构也是整个区块链数据库的核心。目前所完成的区块链原型，已经可以通过链式关系把区块相互关联起来：每个块都被连接到前一个块。

但是，我们实现的区块链有一个巨大的缺点：向链中加入区块太容易和廉价了。而区块链和比特币的其中一个核心就是，要想加入新的区块，必须先完成一些非常困难的工作。在本文，我们将会解决这个缺点。

区块链的一个关键点就是，一个人必须经过一系列困难的工作，才能将数据放入到区块链中。正是这种困难的工作，才使得区块链是安全和一致的。此外，完成这个工作的人也会获得奖励（这也就是通过挖矿获得币）。

这个机制与生活的一个现象非常类似：一个人必须通过努力工作，才能够获得回报或者奖励，用以支撑他们的生活。在区块链中，是通过网络中的参与者（矿工）不断的工作来支撑整个网络，也就是矿工不断地向区块链中加入新块，然后获得相应的奖励。作为他们努力工作的结果，新生成的区块就能够被安全地被加入到区块链中，这种机制维护了整个区块链数据库的稳定性。值得注意的是，完成了这个工作的人必须要证明这一点，他必须要证明确实是他完成了这些工作。

整个 “努力工作并进行证明” 的机制，就叫做工作量证明（proof-of-work）。要想完成工作非常地不容易，因为这需要大量的计算能力：即便是高性能计算机，也无法在短时间内快速完成。此外，这个工作的困难度会随着时间不断增长，以保持每个小时大概出 6 个新块的速度。在比特币中，这个工作的目的是为了找到一个块的哈希，同时这个哈希满足了一些必要条件。这个哈希，也就充当了证明的角色。因此，寻求证明（寻找有效哈希），就是实际要做的事情。

在本节中，我们会讨论哈希计算。如果你已经熟悉了这个概念，可以跳过这一节。

获得指定数据的一个哈希值的过程，就叫做哈希计算。一个哈希，就是对所计算数据的一个唯一的表示。一个哈希函数输入任意大小的数据，输出一个固定大小的哈希值。下面是哈希的几个关键特性：

无法从一个哈希值恢复原始数据。也就是说，哈希并不是加密。

对于特定的数据，只能有一个哈希，并且这个哈希是唯一的。

即使是仅仅改变输入数据中的一个字节，也会导致输出一个完全不同的哈希。

哈希函数被广泛用于检测数据的一致性。一些软件提供者除了提供软件包以外，还会发布校验和。当下载完一个文件以后，你可以用哈希函数对下载好的文件计算一个哈希，并与作者提供的哈希进行比较，以此来保证文件下载的完整性。

在区块链中，哈希被用于保证一个块的一致性。哈希算法的输入数据包含了前一个块的哈希，因此使得不太可能（或者，至少很困难）去修改链中的一个块：因为如果一个人想要修改前面一个块的哈希，那么他必须要重新计算这个块以及后面所有块的哈希。

比特币使用 Hashcash ，一个最初用来防止垃圾邮件的工作量证明算法。它可以被分解为以下步骤：

取一些公开的数据（比如，如果是 email 的话，它可以是接收者的邮件地址；在比特币中，它是区块头）

给这个公开数据添加一个计数器。计数器默认从 0 开始

将 data(数据) 和 counter(计数器) 组合到一起，获得一个哈希

检查哈希是否符合一定的条件：

如果符合条件，结束

如果不符合，增加计数器，重复步骤 3-4

因此，这是一个暴力算法：改变计数器，计算一个新的哈希，检查，增加计数器，计算一个哈希，检查，如此反复。这也是为什么说它是在计算上是非常昂贵的，因为这一步需要如此反复不断地计算和检查。

现在，让我们来仔细看一下一个哈希要满足的必要条件。在原始的 Hashcash 实现中，它的要求是 “一个哈希的前 20 位必须是 0”。在比特币中，这个要求会随着时间而不断变化。因为按照设计，必须保证每 10 分钟生成一个块，而不论计算能力会随着时间增长，或者是会有越来越多的矿工进入网络，所以需要动态调整这个必要条件。

为了阐释这一算法，我从前一个例子（“I like donuts”）中取得数据，并且找到了一个前 3 个字节是全是 0 的哈希。

ca07ca 是计数器的 16 进制值，十进制的话是 13240266.

好了，完成了理论层面，来开始写代码吧！首先，定义挖矿的难度值：

const targetBits = 24

在比特币中，当一个块被挖出来以后，“target bits” 代表了区块头里存储的难度。这里的 24 指的是算出来的哈希前 24 位必须是 0，用 16 进制表示化的话，就是前 6 位必须是 0，这一点可以在最后的输出可以看出来。目前不会实现一个动态调整目标的算法，所以将难度定义为一个全局的常量即可。

24 其实是一个可以任意取的数字，目的是要有一个目标（target）而已，这个目标占据不到 256 位的内存空间。同时，我们想要有足够的差异性，但是又不至于大的过分，因为差异性越大，就越难找到一个合适的哈希。

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
}

这里，我们构造了 ProofOfWork 结构，里面存储了指向一个块和一个目标的指针。“目标” ，也就是前一节中所描述的必要条件。这里使用了一个 大 整数，我们将哈希与目标进行比较：先把一个哈希转换成一个大整数，然后检测它是否小于目标。

在 NewProofOfWork 函数中，我们将 big.Int 初始化为 1，然后左移 256 - targetBits 位。256 是一个 SHA-256 哈希的位数，我们将要使用的是 SHA-256 哈希算法。target（目标） 的 16 进制形式为：

0x10000000000000000000000000000000000000000000000000000000000

它在内存上占据了 29 个字节。下面是与前面例子哈希的形式化比较：

0fac49161af82ed938add1d8725835cc123a1a87b1b196488360e58d4bfb51e3
0000010000000000000000000000000000000000000000000000000000000000
0000008b0f41ec78bab747864db66bcb9fb89920ee75f43fdaaeb5544f7f76ca

第一个哈希（基于 “I like donuts” 计算）比目标要大，因此它并不是一个有效的工作量证明。第二个哈希（基于 “I like donutsca07ca” 计算）比目标要小，所以是一个有效的证明。

译者注：评论有人提出上面的形式化比较有些“言不符实”，其实它应该并非由 “I like donuts” 而来，但是原文作者表达的意思是没问题的，可能是疏忽而已。下面是我做的一个小实验：

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
", sha256.Sum256(data1))
    fmt.Printf("%64x
", target)
    fmt.Printf("%x
", sha256.Sum256(data2))

}

输出：

你可以把目标想象为一个范围的上界：如果一个数（由哈希转换而来）比上界要小，那么这是有效的，反之无效。因为要求比上界要小，所以会导致更少的有效数字。因此，也就需要通过困难的工作（一系列反复的计算），才能找到一个有效的数字。

现在，我们需要有数据来进行哈希，准备数据：

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
}

这个部分比较直观：只需要将 target ，nonce 与 Block 进行合并。这里的 nonce ，就是上面 Hashcash 所提到的计数器，它是一个密码学术语。

很好，到这里，所有的准备工作就完成了，下面来实现 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"
", 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("
%x", hash)
            break
        } else {
            nonce++
        }
    }
    fmt.Print("

")

    return nonce, hash[:]
}

首先我们对变量进行初始化：

HashInt 是 hash 的整形表示；

nonce 是计数器。

然后开始一个 “无限” 循环：maxNonce 对这个循环进行了限制, 它等于 math.MaxInt64。这是为了避免 nonce 可能出现的溢出。尽管我们的 PoW 实现的难度太小了，以至于计数器其实不太可能会溢出，但最好还是以防万一检查一下。

在这个循环中，我们做的事情有：

准备数据

用 SHA-256 对数据进行哈希

将哈希转换成一个大整数

将这个大整数与目标进行比较

跟之前所讲的一样简单。现在我们可以移除 Block 的 SetHash 方法，然后修改 NewBlock 函数：

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
}

在这里，你可以看到 nonce 被保存为 Block 的一个属性。这是十分有必要的，因为待会儿我们需要用 nonce 来对这个工作量进行证明。Block 结构现在看起来像是这样：

type Block struct {
    Timestamp     int64
    Data          []byte
    PrevBlockHash []byte
    Hash          []byte
    Nonce         int
}

好了！现在让我们来运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！你可以看到每个哈希都是 3 个字节的 0 开始，并且获得这些哈希需要花费一些时间。

还剩下一件事情需要做，对工作量证明进行验证：

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
}

这里，就是我们就用到了上面保存的 nonce。

再来检测一次是否正常工作：

func main() {
    ...

    for _, block := range bc.blocks {
        ...
        pow := NewProofOfWork(block)
        fmt.Printf("PoW: %s
", strconv.FormatBool(pow.Validate()))
        fmt.Println()
    }
}

输出：

...

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

从下图可以看出，这次我们产生三个块花费了一分多钟，比没有工作量证明之前慢了很多（也就是成本高了很多）：

我们的区块链离真正的区块链又进了一步：现在需要经过一些困难的工作才能加入新的块，因此挖矿就有可能了。但是，它还缺少一些至关重要的特性：区块链数据库并不是持久化的，没有钱包，地址，交易，也没有共识机制。不过，所有的这些，我们都会在接下来的文章中实现，现在，愉快地挖矿吧！

链接：

Full source codes

Blockchain hashing algorithm

Proof of work

Hashcash

本文源代码：part_2

原文：

Building Blockchain in Go. Part 2: Proof-of-Work