区块链-工作量证明算法

目录：https://blog.csdn.net/qq_40452317/article/details/89646633

比特币的去中心化共识由所有网络节点的 4 种独立过程相互作用而产生：

每个全节点依据综合标准对每个交易进行独立验证
通过完成工作量证明算法的验算，挖矿节点将交易记录独立打包进新区块
每个节点独立的对新区块进行校验并组装进区块链
每个节点对区块链进行独立选择，在工作量证明机制下选择累计工作量最大的区块链。

按照上面四个过程，现在时第二步，在前面已经将交易打包到区块中和构造好区块头。节点已经构建了一个候选区块，那么就轮到矿机对这个新区块进行“挖掘”，求解工作量证明算法以使这个区块有效。我们已经学习了比特币系统中不同地方用到的哈希加密函数。比特币挖矿过程使用的是SHA256哈希函数。

哈希函数输入一个任意长度的数据，输出一个长度固定且绝不雷同的值，可将其视为输入的数字指纹。对于特定输入，哈希的结果每次都一样，任何人都可以用相同的哈希函数，计算和验证哈希结果。一个加密哈希函数的主要特征就是不同的输入几乎不可能出现相同的数字指纹。因此，有意的选择一个输入去生成一个想要的哈希值值是几乎不可能的，更别提用随机的方式生成想要的哈希值了。

无论输入的大小是多少，SHA256函数的输出的长度总是256bit。我们将使用Python解释器来计算语句 "I am Satoshi Nakamoto" 的SHA256的哈希值。

import hashlibtext = "I am Satoshi Nakamoto"print hashlib.sha256(text).hexdigest()

5d7c7ba21cbbcd75d14800b100252d5b428e5b1213d27c385bc141ca6b47989e

5d7c7ba21cbbcd75d14800b100252d5b428e5b1213d27c385bc141ca6b47989e是"I am Satoshi Nakamoto"的哈希值。改变原句中的任何一个字母、标点、或增加字母都会产生不同的哈希值。

如果改变原句，得到的应该是完全不同的哈希值。例如，在句子末尾加上一个数字，通过反复修改nonce来生成不同哈希值的脚本（SHA256）。

import hashlibtext = "I am Satoshi Nakamoto"for nonce in xrange(20):input = text + str(nonce)hash = hashlib.sha256(input).hexdigest()print input,'=>',hash

======================== RESTART: D:\python2\test.py ========================
I am Satoshi Nakamoto0 => a80a81401765c8eddee25df36728d732acb6d135bcdee6c2f87a3784279cfaed
I am Satoshi Nakamoto1 => f7bc9a6304a4647bb41241a677b5345fe3cd30db882c8281cf24fbb7645b6240
I am Satoshi Nakamoto2 => ea758a8134b115298a1583ffb80ae62939a2d086273ef5a7b14fbfe7fb8a799e
I am Satoshi Nakamoto3 => bfa9779618ff072c903d773de30c99bd6e2fd70bb8f2cbb929400e0976a5c6f4
I am Satoshi Nakamoto4 => bce8564de9a83c18c31944a66bde992ff1a77513f888e91c185bd08ab9c831d5
I am Satoshi Nakamoto5 => eb362c3cf3479be0a97a20163589038e4dbead49f915e96e8f983f99efa3ef0a
I am Satoshi Nakamoto6 => 4a2fd48e3be420d0d28e202360cfbaba410beddeebb8ec07a669cd8928a8ba0e
I am Satoshi Nakamoto7 => 790b5a1349a5f2b909bf74d0d166b17a333c7fd80c0f0eeabf29c4564ada8351
I am Satoshi Nakamoto8 => 702c45e5b15aa54b625d68dd947f1597b1fa571d00ac6c3dedfa499f425e7369
I am Satoshi Nakamoto9 => 7007cf7dd40f5e933cd89fff5b791ff0614d9c6017fbe831d63d392583564f74
I am Satoshi Nakamoto10 => c2f38c81992f4614206a21537bd634af717896430ff1de6fc1ee44a949737705
I am Satoshi Nakamoto11 => 7045da6ed8a914690f087690e1e8d662cf9e56f76b445d9dc99c68354c83c102
I am Satoshi Nakamoto12 => 60f01db30c1a0d4cbce2b4b22e88b9b93f58f10555a8f0f4f5da97c3926981c0
I am Satoshi Nakamoto13 => 0ebc56d59a34f5082aaef3d66b37a661696c2b618e62432727216ba9531041a5
I am Satoshi Nakamoto14 => 27ead1ca85da66981fd9da01a8c6816f54cfa0d4834e68a3e2a5477e865164c4
I am Satoshi Nakamoto15 => 394809fb809c5f83ce97ab554a2812cd901d3b164ae93492d5718e15006b1db2
I am Satoshi Nakamoto16 => 8fa4992219df33f50834465d30474298a7d5ec7c7418e642ba6eae6a7b3785b7
I am Satoshi Nakamoto17 => dca9b8b4f8d8e1521fa4eaa46f4f0cdf9ae0e6939477e1c6d89442b121b8a58e
I am Satoshi Nakamoto18 => 9989a401b2a3a318b01e9ca9a22b0f39d82e48bb51e0d324aaa44ecaba836252
I am Satoshi Nakamoto19 => cda56022ecb5b67b2bc93a2d764e75fc6ec6e6e79ff6c39e21d03b45aa5b303a

每个语句都生成了一个完全不同的哈希值。它们看起来是完全随机的，但你在任何计算机上用Python执行上面的脚本都能重现这些完全相同的哈希值。

类似这样在语句末尾的变化的数字叫做nonce（随机数）。Nonce 是用来改变加密函数输出的，在这个示例中改变了这个语句的SHA256指纹。

为了使这个哈希算法变得富有挑战，我们来设定一个具有任意性的目标：找到一个语句，使之哈希值的十六进制表示以0开头。幸运的是，这很容易！在前面 "I am Satoshi Nakamoto13" 的哈希值是

0ebc56d59a34f5082aaef3d66b37a661696c2b618e62432727216ba9531041a5

刚好满足条件。我们得到它用了13次。用概率的角度来看，如果哈希函数的输出是平均分布的，我们可以期望每16次得到一个以0开头的哈希值（十六进制个位数字为0到F）。从数字的角度来看，我们要找的是小于 0x1000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000的哈希值。

我们称这个为Target目标阈值，我们的目的是找到一个小于这个目标的哈希值。如果我们减小这个目标值，那找到一个小于它的哈希值会越来越难。

简单打个比方，想象人们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，不过也很简单。假如几局之后目标降低为了5。现在有一半机率以上扔出来的骰子加起来点数会超过5，因此无效。

随着目标越来越小，要想赢的话，扔骰子的次数会指数级的上升。最终当目标为2时（最小可能点数），只有一个人平均扔36次或2%扔的次数中，他才能赢。

从一个知道骰子游戏目标为2的观察者的角度来看，如果有人要成功中奖，假设他平均尝试了36次。换句话说，可以估计从实现目标难度取得成功所需的工作量。

当算法是基于诸如SHA256的确定性函数时，输入本身就成为证据，必须要一定的工作量才能产生低于目标的结果。因此，称之为工作量证明。

尽管每次尝试产生一个随机的结果，但是任何可能的结果的概率可以预先计算。因此，指定特定难度的结果构成了具体的工作量证明。

在前面代码中的nonce为13，且这个结果能被所有人独立确认。任何人将13加到语句 "I am Satoshi Nakamoto" 后面再计算哈希值都能确认它比目标值要小。这个正确的结果同时也是工作量证明（ProofofWork），因为它证明我们的确花时间找到了这个 nonce。

验证这个哈希值只需要一次计算，而我们找到它却花了13次。如果目标值更小（难度更大），那我们需要多得多的哈希计算才能找到合适的nonce，但其他人验证它时只需要一次哈希计算。此外，知道目标值后，任何人都可以用统计学来估算其难度，因此就能知道找到这个nonce需要多少工作。

工作证明必须产生小于目标的哈希值。更高的目标意味着找到低于目标的哈希是不太困难的。较低的目标意味着在目标下方找到哈希更难。目标和难度是成反比。

比特币的工作量证明和前面例子的挑战非常类似。矿工用一些交易构建一个候选区块。

接下来，这个矿工计算这个区块头信息的哈希值，看其是否小于当前目标值。如果这个哈希值不小于目标值，矿工就会修改这个nonce（通常将之加1）然后再试一次。按当前比特币系统的难度，矿工得试10^15次（10 的15 次方）才能找到一个合适的nonce使区块头信息哈希值足够小。

可以看出，随着难度位一位一位地增加，查找正确结果的时间会呈指数级增长。如果你考虑整个256bit 数字空间，每次要求多一个0，你就把哈希查找空间缩减了一半。在前面例子中为寻找一个nonce 使得哈希值开头的26位值为 0，一共尝试了 8 千多万次。即使家用笔记本每秒可以达270,000 多次哈希计算，这个查找依然需要10分钟。

import hashlib
import timemax_nonce = 2 ** 32def proof_of_work(header,difficulty_bits):target = 2**(256-difficulty_bits)for nonce in xrange(max_nonce):hash_result = hashlib.sha256(str(header)+str(nonce)).hexdigest()if long(hash_result,16) < target:print "Success with nonce %d" % nonceprint "Hsah is %s" % hash_resultreturn (hash_result,nonce)print "Failed after %d(max_nonce) tries" % noncereturn " ",nonceif __name__ == '__main__':nonce =0hash_result =""for difficulty_bits in xrange(32):difficulty =2 ** difficulty_bitsprint "Difficulty:%ld(%d bits)"%(difficulty,difficulty_bits)print"Starubg searching....."start_time = time.time()new_block = "test block with transaction" + hash_result(hash_result,nonce) = (proof_of_work(new_block,difficulty_bits))end_time = time.time()elapsed_time = end_time - start_timeprint "Elapsed_time is %.4f seconds" % elapsed_timeif elapsed_time > 0 :hash_power= float(long(nonce)/elapsed_time)print "Hashing pwer:%ld hashes per second" % hash_power

Difficulty:1(0 bits)
Starubg searching.....
Success with nonce 0
Hsah is 2cb12b088e5e457a57058c53080443eba3976d0fd6b0a8631c72248c9079421a
Elapsed_time is 0.0070 seconds
Hashing pwer:0 hashes per second
Difficulty:2(1 bits)
Starubg searching.....
Success with nonce 0
Hsah is 5b7e6eccd667a6b83e9b88a5fb470a45f3b7a28252630354271ad81cbff64e01
Elapsed_time is 0.0050 seconds
Hashing pwer:0 hashes per second....Difficulty:16384(14 bits)
Starubg searching.....
Success with nonce 12264
Hsah is 000233e915fdd434d0acf10238caa75a4058e02edb9a26f9e4aa8eab7db6e6d0
Elapsed_time is 0.0360 seconds
Hashing pwer:340666 hashes per second...Difficulty: 67108864 (26 bits)
Starting search...
Success with nonce 84561291
Hash is 0000001f0ea21e676b6dde5ad429b9d131a9f2b000802ab2f169cbca22b1e21a
Elapsed Time: 665.0949seconds
Hashing Power: 127141 hashes per second

生成下一个区块需要网络每秒计算 1.8septa-hashes（(thousandbillionbillion 次哈希）。现在比特币网络已经拥有3EH/sec 的处理能力，平均每10分钟就可以找到一个新区块。

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