用Rust实现区块链 - 2 工作量证明(PoW)

上一部分我们实现了简单的区块链，可以进行挖矿，但是挖矿的过程实在是太廉价。因此在这一部分我们通过工作量证明(Proof of Work)算法来增加挖矿的难度。

工作量证明

PoW 的核心设计思路是提出一个计算难题，但是这个难题答案的验证过程是非常容易的，这种特性我们称之为计算不对称特性。这个难题以 SHA256 算法计算一个目标哈希，使得这个哈希值符合前 N 位全是 0。

首先在区块头中加入bits和nonce字段：

#[derive(Debug, Serialize, Deserialize, PartialEq, Eq, Clone)]
pub struct BlockHeader {
    timestamp: i64,
    prev_hash: String,
    bits: usize,
    nonce: usize,
}

• bits：计算难度，也就是区块hash值的前多少位是 0。

• nonce：记录满足bits难度，重复计算的次数。

在这里将bits硬编码为8，也就是计算出的区块hash值前8位都是0，这个区块才能加入到区块链中。

const CURR_BITS: usize = 8;

新建pow.rs文件，定义ProofOfWork结构体：

pub struct ProofOfWork {
    target: U256,
}

impl ProofOfWork {
    pub fn new(bits: usize) -> Self {
        // 这里用到了bigint库里的U256，先初始化为1
        let mut target = U256::from(1 as usize);
        
        // 将1向左移动 256-bits 位，bits是8的话，则向左移动248位。
        target = target.shl(256 - bits);

        Self {
            target
        }
    }

    pub fn run(&self, block: &mut Block) {
        let mut nonce = 0;
        
        // 设置MAX_NONCE为usize::MAX，避免计算溢出。
        while nonce < MAX_NONCE {
            if let Ok(pre_hash) = Self::prepare_data(block, nonce) {
                let mut hash_u: [u8; 32] = [0; 32];
                hash_to_u8(&pre_hash,&mut hash_u);
                let pre_hash_int = U256::from(hash_u);
                
                // 如果计算出的hash值小于target，则满足条件，跳出循环。
                // 否则nonce加一，进入下一次hash计算。
                if pre_hash_int.lt(&(self.target)) {
                    block.set_hash(hash_to_str(&pre_hash));
                    break;
                }else {
                    nonce += 1;
                }
            }
        }
    }
    
    // 设置nonce值，对区块头进行序列化
    fn prepare_data(block: &mut Block, nonce: usize) -> Result<Vec<u8>> {
        block.set_nonce(nonce);
        Ok(serialize(&(block.get_header()))?)
    }
}

验证

RUST_LOG=info cargo run --example gen_bc --quiet
INFO blockchain_rust_part_2::blocks::blockchain: Block {
    header: BlockHeader {
        timestamp: 1650248670,
        prev_hash: "",
        bits: 8,
        nonce: 8,
    },
    data: "创世区块",
    hash: "006ad38f5197ad564907f1dbef40c555ab7d62d14fbb2685034fa898d10ebcef",
}
INFO blockchain_rust_part_2::blocks::blockchain: Block {
    header: BlockHeader {
        timestamp: 1650248670,
        prev_hash: "006ad38f5197ad564907f1dbef40c555ab7d62d14fbb2685034fa898d10ebcef",
        bits: 8,
        nonce: 366,
    },
    data: "Justin -> Bob 2 btc",
    hash: "004b778eb2e4605f423d1170a0fa5bee080e3178685afed05c5d93bda92be867",
}

可以看出创世块计算的8次，找到了满足条件的hash值。而后加入的块则计算了366次才找到满足条件的hash值。

工程结构

完整代码：

https://github.com/Justin02180218/blockchain_rust

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