摘要：在比特幣中，這種工作的目標(biāo)是找到滿足某個(gè)特定要求的區(qū)塊哈希值。這個(gè)區(qū)塊哈希值就是工作結(jié)果的一個(gè)證明。因此，計(jì)算工作的目的就是為了尋找到這個(gè)證明值。例如哈希算法被廣泛用于驗(yàn)證文件的一致性上。在區(qū)塊鏈中，哈希值用于保證區(qū)塊的一致性。

最終內(nèi)容請(qǐng)以原文為準(zhǔn)： https://wangwei.one/posts/789...

在 上一篇 文章中，我們實(shí)現(xiàn)了區(qū)塊鏈最基本的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模型，添加區(qū)塊以及和前一個(gè)區(qū)塊連接在一起。但是，我們的實(shí)現(xiàn)方式非常簡(jiǎn)單，而真實(shí)的比特幣區(qū)塊鏈中，每一個(gè)區(qū)塊的添加都是需要經(jīng)過大量的計(jì)算才可以完成，這個(gè)過程就是我們熟知的挖礦。

區(qū)塊鏈最關(guān)鍵的一個(gè)思想就是，必須進(jìn)行大量且困難的計(jì)算工作才能將交易數(shù)據(jù)存放到區(qū)塊鏈上。這種工作機(jī)制才能保證整個(gè)區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)的安全性和一致性。同時(shí)，完成這個(gè)計(jì)算工作的礦工會(huì)得到相應(yīng)的Token獎(jiǎng)勵(lì)。

這套機(jī)制和我們的現(xiàn)實(shí)生活非常相似：我們必須努力工作來(lái)賺取報(bào)酬用以維持我們的生活。在區(qū)塊鏈中，網(wǎng)絡(luò)中的礦工們努力工作來(lái)維持區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)，為其添加區(qū)塊，并且獲得一定的Token獎(jiǎng)勵(lì)。作為他們工作的成果，一個(gè)區(qū)塊以安全的方式被組合進(jìn)了區(qū)塊鏈中，這樣就保證了整個(gè)區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)庫(kù)的穩(wěn)定性。還有一個(gè)必須要注意的是，某個(gè)礦工完成了計(jì)算工作的結(jié)果，還必須得到其他所有礦工的認(rèn)同（證明是正確的），這樣才算完成。

這一整套的計(jì)算和證明機(jī)制，就稱為Proof-of-Work（工作量證明）。計(jì)算工作是非常非常困難的，因?yàn)樗枰拇罅康挠?jì)算機(jī)算力資源，即使是性能非常高的計(jì)算機(jī)都不能非?？斓赜?jì)算出正確的結(jié)果。此外，隨著時(shí)間的推移，這項(xiàng)計(jì)算工作的難度也會(huì)隨之增加，目的是為了保證每小時(shí)6個(gè)新區(qū)塊的出塊率。在比特幣中，這種工作的目標(biāo)是找到滿足某個(gè)特定要求的區(qū)塊Hash（哈希值）。這個(gè)區(qū)塊哈希值就是工作結(jié)果的一個(gè)證明。因此，計(jì)算工作的目的就是為了尋找到這個(gè)證明值。

最后要注意的是，計(jì)算出這個(gè)特定的Hash（哈希值）是非常困難的，但是別人來(lái)驗(yàn)證這個(gè)Hash值是否正確的時(shí)候，是非常簡(jiǎn)單的，一下子就能完成。

Hash：哈希 | 散列

我們來(lái)討論一下Hashing（哈希），對(duì)這一塊非常熟悉的朋友可以直接跳過這一段內(nèi)容。

哈希是一種計(jì)算機(jī)算法，該算法能夠計(jì)算出任意大小數(shù)據(jù)的哈希值，并且這個(gè)哈希值的長(zhǎng)度是固定的，256bit。這個(gè)被計(jì)算出來(lái)的哈希值能夠作為這個(gè)數(shù)據(jù)的唯一代表。哈希算法有幾個(gè)關(guān)鍵的特性：

不可逆性。不能根據(jù)一個(gè)哈希值推導(dǎo)出原始數(shù)據(jù)。所以，哈希不是加密。

唯一性。每個(gè)數(shù)據(jù)有且僅有一個(gè)唯一的哈希值。

迥異性。原始數(shù)據(jù)一丁點(diǎn)的變化都將得到完全不一樣的哈希值。

例如：

SHA256("wangwei1") ——> 1e898b7c9adaad86c20139a302ccd5277f81040cab68dc2aecfc684773532652
SHA256("wangwei2") ——> c9cc7417c17318c8aab448cc8ace24c53b6dcf350f5c5fd8e91cbc3b011a179d

哈希算法被廣泛用于驗(yàn)證文件的一致性上。比如軟件提供商通常會(huì)在安裝包上附加一個(gè)檢驗(yàn)碼（checksums），當(dāng)我們下載完一個(gè)軟件安裝包后，可以用哈希函數(shù)計(jì)算一下這個(gè)軟件安裝包的哈希值，然后再和軟件安裝包的檢驗(yàn)碼做個(gè)對(duì)比，就可以知道下載的安裝包是否完整、是否有數(shù)據(jù)丟失。

在區(qū)塊鏈中，哈希值用于保證區(qū)塊的一致性。每一個(gè)區(qū)塊被用于進(jìn)行哈希計(jì)算的數(shù)據(jù)，都包含前一個(gè)區(qū)塊鏈的哈希值，因此任何人想要修改區(qū)塊的數(shù)據(jù)幾乎是不可能的，他必須要把整個(gè)區(qū)塊鏈中從創(chuàng)世區(qū)塊到最新的區(qū)塊的所有哈希值全部重新計(jì)算一遍。

你可以腦補(bǔ)一下這個(gè)工作量有多大，按照目前計(jì)算機(jī)的算力來(lái)看，幾乎不可能

比特幣的工作量證明是使用的是Hashcash算法，一種最初被用于反垃圾郵件的算法，它可以被拆解為以下幾步：

獲取某種公開可知的數(shù)據(jù)data（在郵件案例中，指的是收件人郵件地址；比特幣案例中，指的是區(qū)塊頭）

添加一個(gè)計(jì)數(shù)器counter，初始值設(shè)置為0；

計(jì)算 data 與 counter拼接字符串的哈希值；

檢查上一步的哈希值是否滿足某個(gè)條件，滿足則停止計(jì)算，不滿足則 counter 加1，然后重復(fù)第3步和第4步，直到滿足這個(gè)特定的條件為止。

這是一種粗暴的算法：你改變計(jì)數(shù)器，計(jì)算一個(gè)新的哈希值，檢查它，增加計(jì)數(shù)器，計(jì)算一個(gè)新的哈希值，循環(huán)往復(fù)，這就是為什么它需要花費(fèi)大量計(jì)算機(jī)算力資源的原因所在。

讓我們來(lái)近距離看一下這個(gè)特定的條件指的是什么。在原始的Hashcash算法中，這個(gè)特殊的要求指的是計(jì)算出來(lái)的哈希值的前20bit必須全是零，

在比特幣種，這種要求哈希值前面有多少個(gè)零打頭的要求是隨著時(shí)間的推移而不斷調(diào)整的，這是出于設(shè)計(jì)的目的，盡管在計(jì)算機(jī)的算力會(huì)不斷的提升和越來(lái)越多的礦工加入這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的情況下，都要保證每10min生產(chǎn)一個(gè)區(qū)塊。

我們演示一下這個(gè)算法，

# 計(jì)算字符串"I like donuts"的哈希值
SHA256("I like donuts") 
——> f80867f6efd4484c23b0e7184e53fe4af6ab49b97f5293fcd50d5b2bfa73a4d0

# 拼接一個(gè)計(jì)數(shù)器值(ca07ca)，再次進(jìn)行Hash計(jì)算
SHA256("I like donutsca07ca") 
——> 0000002f7c1fe31cb82acdc082cfec47620b7e4ab94f2bf9e096c436fc8cee06

這里的ca07ca是計(jì)數(shù)器值的十六進(jìn)制，他表示的十進(jìn)制值為13240266

即，從0開始，總共計(jì)算了13240266次，才計(jì)算出I like donuts這個(gè)數(shù)據(jù)的Hash值，滿足前6位(3字節(jié))全是零。

思路：
1）每次區(qū)塊被添加到區(qū)塊鏈之前，先要進(jìn)行挖礦（Pow）
2）挖礦過程中，產(chǎn)生的 Hash 值，如果小于難度目標(biāo)值則添加進(jìn)區(qū)塊，否則繼續(xù)挖礦，直到找到正確的Hash為止
3）最后，驗(yàn)證區(qū)塊Hash是否有效

/**
 * 工作量證明
 *
 * @author wangwei
 * @date 2018/02/04
 */
@Data
public class ProofOfWork {

    /**
     * 難度目標(biāo)位
     */
    public static final int TARGET_BITS = 20;

    /**
     * 區(qū)塊
     */
    private Block block;
    /**
     * 難度目標(biāo)值
     */
    private BigInteger target;

    private ProofOfWork(Block block, BigInteger target) {
        this.block = block;
        this.target = target;
    }
  
    /**
     * 創(chuàng)建新的工作量證明，設(shè)定難度目標(biāo)值
     * 

     * 對(duì)1進(jìn)行移位運(yùn)算，將1向左移動(dòng) (256 - TARGET_BITS) 位，得到我們的難度目標(biāo)值
     * 
     * @param block
     * @return 
     */
    public static ProofOfWork newProofOfWork(Block block) {
        BigInteger targetValue = BigInteger.valueOf(1).shiftLeft((256 - TARGET_BITS));
        return new ProofOfWork(block, targetValue);
    }
}

設(shè)定一個(gè)難度目標(biāo)位TARGET_BITS，表示最終挖礦挖出來(lái)Hash值，轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制后，與256相比，長(zhǎng)度少了多少bit，也即二進(jìn)制前面有多少bit是零.

TARGET_BITS 越大，最終targetValue就越小，要求計(jì)算出來(lái)的Hash越來(lái)越小，也就是挖礦的難度越來(lái)越大。
我們這里的TARGET_BITS是固定的，但是在真實(shí)的比特幣中，難度目標(biāo)是隨著時(shí)間的推推，會(huì)動(dòng)態(tài)調(diào)整的。詳見：《精通比特幣 （第二版）》第10章

由于數(shù)值比較大，這里要使用BitInteger類型。

/**
 * 準(zhǔn)備數(shù)據(jù)
 * 

 * 注意：在準(zhǔn)備區(qū)塊數(shù)據(jù)時(shí)，一定要從原始數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)化為byte[]，不能直接從字符串進(jìn)行轉(zhuǎn)換
 * @param nonce
 * @return
 */
private String prepareData(long nonce) {
   byte[] prevBlockHashBytes = {};
   if (StringUtils.isNoneBlank(this.getBlock().getPrevBlockHash())) {
       prevBlockHashBytes = new BigInteger(this.getBlock().getPrevBlockHash(), 16).toByteArray();
   }

   return ByteUtils.merge(
           prevBlockHashBytes,
           this.getBlock().getData().getBytes(),
           ByteUtils.toBytes(this.getBlock().getTimeStamp()),
           ByteUtils.toBytes(TARGET_BITS),
           ByteUtils.toBytes(nonce)
    );
}

參與Hash運(yùn)算的如下幾個(gè)信息：

前一個(gè)區(qū)塊（父區(qū)塊）的Hash值；

區(qū)塊中的交易數(shù)據(jù)；

區(qū)塊生成的時(shí)間；

難度目標(biāo)；

用于工作量證明算法的計(jì)數(shù)器

詳見：《精通比特幣 （第二版）》第09章

/**
 * 運(yùn)行工作量證明，開始挖礦，找到小于難度目標(biāo)值的Hash
 *
 * @return
 */
public PowResult run() {
    long nonce = 0;
    String shaHex = "";
    System.out.printf("Mining the block containing：%s 
", this.getBlock().getData());

    long startTime = System.currentTimeMillis();
    while (nonce < Long.MAX_VALUE) {
        String data = this.prepareData(nonce);
        shaHex = DigestUtils.sha256Hex(data);
        if (new BigInteger(shaHex, 16).compareTo(this.target) == -1) {
            System.out.printf("Elapsed Time: %s seconds 
", (float) (System.currentTimeMillis() - startTime) / 1000);
            System.out.printf("correct hash Hex: %s 

", shaHex);
            break;
         } else {
            nonce++;
         }
     }
     return new PowResult(nonce, shaHex);
}

循環(huán)體里面主要以下四步：

準(zhǔn)備數(shù)據(jù)

進(jìn)行sha256運(yùn)算

轉(zhuǎn)化為BigInter類型

與target進(jìn)行比較

最后，返回正確的Hash值以及運(yùn)算計(jì)數(shù)器nonce

/**
 * 驗(yàn)證區(qū)塊是否有效
 *
 * @return
 */
public boolean validate() {
    String data = this.prepareData(this.getBlock().getNonce());
    return new BigInteger(DigestUtils.sha256Hex(data), 16).compareTo(this.target) == -1;
}

/**
 * 
 創(chuàng)建新區(qū)塊 
 *
 * @param previousHash
 * @param data
 * @return
 */
public static Block newBlock(String previousHash, String data) {
    Block block = new Block("", previousHash, data, Instant.now().getEpochSecond(), 0);
    ProofOfWork pow = ProofOfWork.newProofOfWork(block);
    PowResult powResult = pow.run();
    block.setHash(powResult.getHash());
    block.setNonce(powResult.getNonce());
    return block;
}

創(chuàng)建區(qū)塊

創(chuàng)建Pow算法對(duì)象

執(zhí)行Pow算法

保存返回的Hash以及運(yùn)算計(jì)數(shù)器

/**
 * 測(cè)試
 *
 * @author wangwei
 * @date 2018/02/05
 */
public class BlockchainTest {

    public static void main(String[] args) {

        Blockchain blockchain = Blockchain.newBlockchain();

        blockchain.addBlock("Send 1 BTC to Ivan");
        blockchain.addBlock("Send 2 more BTC to Ivan");

        for (Block block : blockchain.getBlockList()) {
            System.out.println("Prev.hash: " + block.getPrevBlockHash());
            System.out.println("Data: " + block.getData());
            System.out.println("Hash: " + block.getHash());
            System.out.println("Nonce: " + block.getNonce());

            ProofOfWork pow = ProofOfWork.newProofOfWork(block);
            System.out.println("Pow valid: " +  pow.validate() + "
");
        }
    }
}

/**
 * 設(shè)定TARGET_BITS = 20，得到如下結(jié)果：
 */
Mining the block containing：Genesis Block 
Elapsed Time: 2.118 seconds 
correct hash Hex: 00000828ee8289ef6381f297585ef8c952fde93fc2b673ff7cc655f699bb2442 

Mining the block containing：Send 1 BTC to Ivan 
Elapsed Time: 1.069 seconds 
correct hash Hex: 00000a38c0d7f2ebbd20773e93770298aa8bc0cc6d85fca8756fe0646ae7fea5 

Mining the block containing：Send 2 more BTC to Ivan 
Elapsed Time: 4.258 seconds 
correct hash Hex: 00000777f93efe91d9aabcba14ab3d8ab8e0255b89818cdb9b93cfa844ad0c7f 

Prev.hash: 
Data: Genesis Block
Hash: 00000828ee8289ef6381f297585ef8c952fde93fc2b673ff7cc655f699bb2442
Nonce: 522163
Pow valid: true

Prev.hash: 00000828ee8289ef6381f297585ef8c952fde93fc2b673ff7cc655f699bb2442
Data: Send 1 BTC to Ivan
Hash: 00000a38c0d7f2ebbd20773e93770298aa8bc0cc6d85fca8756fe0646ae7fea5
Nonce: 474758
Pow valid: true

Prev.hash: 00000a38c0d7f2ebbd20773e93770298aa8bc0cc6d85fca8756fe0646ae7fea5
Data: Send 2 more BTC to Ivan
Hash: 00000777f93efe91d9aabcba14ab3d8ab8e0255b89818cdb9b93cfa844ad0c7f
Nonce: 1853839
Pow valid: true

我們正在一步一步接近真實(shí)的區(qū)塊鏈架構(gòu)，本篇我們實(shí)現(xiàn)了挖礦機(jī)制，但是我們還有很多關(guān)鍵性的功能沒有實(shí)現(xiàn)：區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)庫(kù)的持久性、錢包、地址、交易、共識(shí)機(jī)制，這些我們后面一步一步來(lái)實(shí)現(xiàn)

源代碼：https://github.com/wangweiX/b...

https://jeiwan.cc/posts/build...

《精通比特幣（第二版）》