上一个章节我们已经创建了区块链的基本原形,但是区块的哈希计算和加入太过于简单,如果按照这种速度添加区块那么区块链估计一个小时就爆满了。
真实的比特币中是全网一个小时产生6个区块,我们的示例中也需要调整区块哈希计算的难度。
工作量证明
人为的提升哈希计算的阀值,加大哈希计算难度与工作量,这样的工作机制才能保证整个区块链数据的安全性和一致性。
工作量证明
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。
Hashcash
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。
首先定义挖矿难度,也就是哈希值前多少位必须为0的检测标准。
#define DifficultyNum 6
我们删除原来在Block类中的Sethash()函数, 取而代之的是string Block::CalculateHash() 和 void Block::ProofOfWork(int difficultNum)
string Block::CalculateHash() 是根据区块Block的创建时间和区块描述和上一个区块的哈希以及_nNonce来计算一个哈希值 并放回。返回的值会发送给ProofOfWork()函数验证是否符合标准(前DifficultyNum位必须为零).
string Block::CalculateHash() { stringstream ss; ss << _tTime << _data << _prevHash << _nNonce; return sha256(ss.str()); } void Block::ProofOfWork(int difficultNum) { char cstr[DifficultyNum + 1]; for (uint32_t i = 0; i < DifficultyNum; ++i) { cstr[i] = '0'; } cstr[DifficultyNum] = '\0'; string str(cstr); do { _nNonce++; _hash = CalculateHash(); } while (_hash.substr(0, difficultNum) != str); std::cout << "Block mined: " << _hash << std::endl; }
相应的 在创建区块后都要调用工作量证明函数
void Blockchain::AddBlock(string datain) { Block* prev = blocks.back(); Block* newblock = new Block(datain, prev->_hash); newblock->ProofOfWork(DifficultyNum); blocks.push_back(newblock); }
static Block* NewBlock(string datain, string prevBlockHash) { Block* p = new Block( datain, prevBlockHash); p->ProofOfWork(DifficultyNum); return p; }
main函数基本没有变化 我们运行查看效果
int main() { Blockchain* bc = TOOLS::NewBlockchain(); bc->AddBlock("Send 1 BTC to Ivan"); bc->AddBlock("Send 2 more BTC to Ivan"); for (int i = 0; i < bc->blocks.size(); i++) { std::cout << "Prev hash = " << bc->blocks[i]->_prevHash << std::endl; std::cout << "data = " << bc->blocks[i]->_data << std::endl; std::cout << "hash = " << bc->blocks[i]->_hash << std::endl << std::endl; } //退出之前 删除 delete bc; return 0; }
这个是难度为4的计算结果:
参考博文:
https://blog.csdn.net/simple_the_best/article/details/78104604
https://jeiwan.cc/posts/building-blockchain-in-go-part-2/