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以太坊源碼分析：共識(shí)（3）Ethash

huashiou / 1985人閱讀

摘要：在中，該隨機(jī)數(shù)稱(chēng)為，它需要滿(mǎn)足一個(gè)公式其中，去除區(qū)塊頭中生成的哈希值，見(jiàn)。固定值，生成的哈希值的最大取值。哈希值滿(mǎn)足條件的概率是，礦工需要進(jìn)行次的判斷，才有可能找到一個(gè)符合條件的，當(dāng)前以太坊難度為。

前言

Ethash實(shí)現(xiàn)了PoW，PoW的精妙在于通過(guò)一個(gè)隨機(jī)數(shù)確定，礦工確實(shí)做了大量的工作，并且是沒(méi)有辦法作弊的。接下來(lái)將介紹：

Ethash的挖礦本質(zhì)。

Ethash是如何挖礦的。

如何驗(yàn)證Ethash的隨機(jī)數(shù)。

Ethash的挖礦本質(zhì)

挖礦的本質(zhì)是找到一個(gè)隨機(jī)數(shù)，證明自己做了很多工作（計(jì)算）。在Ethash中，該隨機(jī)數(shù)稱(chēng)為Nonce，它需要滿(mǎn)足一個(gè)公式：

Rand(hash, nonce) ≤ MaxValue / Difficulty

其中，

hash：去除區(qū)塊頭中Nonce、MixDigest生成的哈希值，見(jiàn)HashNoNonce()。

nonce：待尋找的符合條件的隨機(jī)數(shù)。

MaxValue：固定值2^256，生成的哈希值的最大取值。

Difficulty：挖礦難度。

Rand()：使用hash和nonce生成一個(gè)哈希值，這其中包含了很多哈希運(yùn)算。

以上參數(shù)中，在得到區(qū)塊頭的hash之后，只有nonce是未知的。

公式的含義是，使用hash和nonce生成的哈希值必須落在合法的區(qū)間。利用下圖介紹一下，Rand()函數(shù)結(jié)果取值范圍是[0, MaxValue]，但只有計(jì)算出的哈希值在[0, MaxValue / Difficulty]內(nèi)，才是符合條件的哈希值，進(jìn)而該Nonce才是符合條件的，否則只能再去尋找下一個(gè)Nonce。

以太坊可以通過(guò)調(diào)整Difficulty來(lái)調(diào)節(jié)當(dāng)前挖礦的難度，Difficulty越大，挖礦的難度越大。當(dāng)Difficulty越大時(shí)， MaxValue / Difficulty越小，合法的哈希值范圍越小，造成挖礦難度增加。

哈希值滿(mǎn)足條件的概率是 p = (MaxValue / Difficulty) / MaxValue = 1 / Difficulty，礦工需要進(jìn)行1 / p = Difficulty次的判斷，才有可能找到一個(gè)符合條件的Nonce，當(dāng)前以太坊難度為3241847139727150。

如何挖礦

Ethash挖礦的主要思想是，開(kāi)啟多個(gè)線(xiàn)程去尋找符合條件的Nonce，給每個(gè)線(xiàn)程分配一個(gè)隨機(jī)數(shù)，作為本線(xiàn)程的Nonce的初始值，然后每個(gè)線(xiàn)程判斷當(dāng)前的Nonce是否符合上面的公式，如果不符合，則把Nonce加1，再次進(jìn)行判斷，這樣不定的迭代下去，直到找到一個(gè)符合條件的Nonce，或者挖礦被叫停。

接下來(lái)介紹挖礦的幾個(gè)主要函數(shù)的實(shí)現(xiàn)，它們是：

挖礦的入口Seal函數(shù)。

挖礦函數(shù)mine函數(shù)。

挖礦需要的數(shù)據(jù)cache和dataset。

Rand()函數(shù)的實(shí)現(xiàn)hashimotoFull和hashimoto。

挖礦入口Seal()

Seal是引擎的挖礦入口函數(shù)，它是管理崗位，負(fù)責(zé)管理挖礦的線(xiàn)程。它發(fā)起多個(gè)線(xiàn)程執(zhí)行Ethash.mine進(jìn)行并行挖礦，當(dāng)要更新或者停止的時(shí)候，重新啟動(dòng)或停止這些線(xiàn)程。

挖礦函數(shù)mine()

mine函數(shù)負(fù)責(zé)挖礦。Seal在啟動(dòng)每一個(gè)mine的時(shí)候，給它分配了一個(gè)seed，mine會(huì)把它作為Nonce的初始值，然后生成本高度使用的dataset，然后把dataset, hash, nonce傳遞給hashimotoFull函數(shù)，這個(gè)函數(shù)可以認(rèn)為是原理介紹中的Rand隨機(jī)函數(shù)，他會(huì)生成哈希值Result，當(dāng)Result <= Target的時(shí)候，說(shuō)明哈希值落在符合條件的區(qū)間了，mine找到了符合條件的Nonce，使用Digest和nonce組成新的區(qū)塊后，發(fā)送給Seal，否則驗(yàn)證下一個(gè)Nonce是否是符合條件的。

挖礦需要的數(shù)據(jù)cache和dataset

dataset用來(lái)生成Result，而cache用來(lái)生成dataset。至于如何使用dataset生成Result在hashimoto()中講述，本節(jié)介紹如何生成dataset。

dataset和cache中存放的都是偽隨機(jī)數(shù)，每個(gè)epoch的區(qū)塊使用相同的cache和dataset，并且dataset需要暫用大量的內(nèi)存。剛開(kāi)始時(shí)cache是16MB，dataset是1GB，但每個(gè)epoch它們就會(huì)增大一次，它們的大小分別定義在datasetSizes和cacheSizes，dataset每次增長(zhǎng)8MB，最大能達(dá)到16GB，所以挖礦的節(jié)點(diǎn)必須有足夠大的內(nèi)存。

使用cache生成dataset。使用cache的部分?jǐn)?shù)據(jù)，進(jìn)行哈希和異或運(yùn)算，就能生成一組dataset的item，比如下圖中的cache中黃色塊，能生成dataset中的黃色塊，最后把這些Item拼起來(lái)就生成了完整的Dataset，完成該功能的函數(shù)是generateDataset。

dataset.generate()是dataset的生成函數(shù)，該函數(shù)只執(zhí)行一次，先使用generateCache()生成cache，再將cache作為generateDataset()的入?yún)⑸蒬ataset，其中需要重點(diǎn)關(guān)注的是generateDatasetItem()，該函數(shù)是根據(jù)部分cache，生成一組dataset item，驗(yàn)證PoW的nonce的時(shí)候，也需要使用該函數(shù)。

Rand()的實(shí)現(xiàn)hashimotoFull()和hashimoto()

hashimotoFull功能是使用dataset、hash和nonce生成Digest和Result。它創(chuàng)建一個(gè)獲取dataset部分?jǐn)?shù)據(jù)的lookup函數(shù)，該函數(shù)能夠返回連續(xù)的64字節(jié)dataset中的數(shù)據(jù)，然后把lookup函數(shù)、hash和nonce傳遞給hashimoto。

hashimoto的功能是根據(jù)hash和nonce，以及l(fā)ookup函數(shù)生成Digest和Result，lookup函數(shù)能夠返回64字節(jié)的數(shù)據(jù)就行。它把hash和nonce合成種子，然后根據(jù)種子生成混合的數(shù)據(jù)mix，然后進(jìn)入一個(gè)循環(huán)，使用mix和seed獲得dataset的行號(hào)，使用lookup獲取指定行的數(shù)據(jù)，然后把數(shù)據(jù)混合到mix中，混合的方式是使用哈希和異或運(yùn)算，循環(huán)結(jié)束后再使用哈希和異或函數(shù)把mix壓縮為64字節(jié)，把mix轉(zhuǎn)為小端模式就得到了Digest，把seed和mix進(jìn)行hash運(yùn)算得到Result。

如何驗(yàn)證

PoW的驗(yàn)證是證明出塊人確實(shí)進(jìn)行了大量的哈希計(jì)算。Ethash驗(yàn)證區(qū)塊頭中的Nonce和MixDigest是否合法，如果驗(yàn)證通過(guò)，則認(rèn)為出塊人確實(shí)進(jìn)行了大量的哈希運(yùn)算。驗(yàn)證方式是確定區(qū)塊頭中的Nonce是否符合公式，并且區(qū)塊頭中的MixDigest是否與使用此Nonce計(jì)算出的是否相同。

驗(yàn)證與挖礦相比，簡(jiǎn)直是毫不費(fèi)力，因?yàn)椋?/p>

時(shí)間節(jié)省。驗(yàn)證只進(jìn)行1次hashimoto運(yùn)算，而挖礦進(jìn)行大約Difficulty次。

空間節(jié)省。驗(yàn)證只需要cache，不需要dataset，也就不需要計(jì)算龐大的dataset，因此不挖礦的驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)，不需要很高的配置。

接下來(lái)介紹驗(yàn)證函數(shù)VerifySeal()，以及根據(jù)cache生成Digest和Result的hashimotoLight()。

驗(yàn)證函數(shù)VerifySeal

Ethash.VerifySeal實(shí)現(xiàn)PoW驗(yàn)證功能。首先先判斷區(qū)塊中的Difficulty是否匹配，然后生成（獲?。┊?dāng)前區(qū)塊高度的cache，把cache和nonce傳遞給hashimotoLight，該函數(shù)能根據(jù)cache, hash, nonce生成Digest和Result，然后校驗(yàn)Digest是否匹配以及Result是否符合條件。

hashimotoLight函數(shù)

hashimotoLight使用cache, hash, nonce生成Digest和Result。生成Digest和Result只需要部分的dataset數(shù)據(jù)，而這些部分dataset數(shù)據(jù)時(shí)可以通過(guò)cache生成，因此也就不需要完整的dataset。它把generateDatasetItem函數(shù)封裝成了獲取部分dataset數(shù)據(jù)的lookup函數(shù)，然后傳遞給hashimoto計(jì)算出Digest和Result。

FAQ

Q：每30000個(gè)塊使用同一個(gè)dataset，那可以提前挖出一些合法的Nonce？
A： 不行。提前挖去Nonce，意味著還不知道區(qū)塊頭的hash，因此無(wú)法生成合法的Nonce。

Q：能否根據(jù)符合條件的哈希值，反推出Nonce呢？
A：不行。因?yàn)楣＿\(yùn)算具有不可逆性，不能根據(jù)摘要反推出明文，同理根據(jù)哈希值也無(wú)法推出Nonce。

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