工作量证明机制是怎样的?

工作量证明机制是怎样的?

无主之地 副船长 船龄 10.2年 来源 kevin
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工作证明(Proof Of Work,简称POW),顾名思义,即工作量的证明。通常来说只能从结果证明,因为监测工作过程通常是繁琐与低效的。

比特币在Block的生成过程中使用了POW机制,一个符合要求的Block Hash由N个前导零构成,零的个数取决于网络的难度值。要得到合理的Block Hash需要经过大量尝试计算,计算时间取决于机器的哈希运算速度。当某个节点提供出一个合理的Block Hash值,说明该节点确实经过了大量的尝试计算,当然,并不能得出计算次数的绝对值,因为寻找合理hash是一个概率事件。当节点拥有占全网n%的算力时,该节点即有n/100的概率找到Block Hash。

工作证明机制看似很神秘,其实在社会中的应用非常广泛。例如,毕业证、学位证等证书,就是工作证明,拥有证书即表明你在过去投入了学习与工作。生活大部分事情都是通过结果来判断的。


挖矿

挖矿即不断接入新的Block延续Block Chain的过程。


挖矿为整个系统的运转提供原动力,是比特币的发动机,没有挖矿就没有比特币。挖矿有三个重要功能:

  1. 发行新的货币(总量达到之前)
  2. 维系货币的支付功能
  3. 通过算力保障系统安全
金矿消耗资源将黄金注入流通经济,比特币通过“挖矿”完成相同的事情,只不过消耗的是CPU时间与电力。当然,比特币的挖矿意义远大于此。

Block Hash算法

Block头部信息的构成:
字段名含义大小(字节)
Version版本号4
hashPrevBlock上一个block hash值32
hashMerkleRoot上一个block产生之后至新block生成此时间内,
交易数据打包形成的Hash
32
TimeUnix时间戳4
Bits目标值,即难度4
Nonce随机数4


下面采用高度为125552的block数据为例,演示block hash的计算过程:

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php
$header_hex = "01000000" . // version
              // previous block hash
              "81cd02ab7e569e8bcd9317e2fe99f2de44d49ab2b8851ba4a308000000000000" .
              // merkle root hash of transactions in this block
              "e320b6c2fffc8d750423db8b1eb942ae710e951ed797f7affc8892b0f1fc122b" .
              // Time
              "c7f5d74d" .
              // Bits (Difficulty)
              "f2b9441a" .
              // Nonce
              "42a14695";
$header_bin = pack("H*", $header_hex);  // hex to bin
$h = hash('sha256', hash('sha256', $header_bin, true), true);  // double sha256

echo bin2hex($h), "\n";
// output: 1dbd981fe6985776b644b173a4d0385ddc1aa2a829688d1e0000000000000000
echo bin2hex(strrev($h)), "\n";
// output: 00000000000000001e8d6829a8a21adc5d38d0a473b144b6765798e61f98bd1d
该计算过程简单明了:首先将数个字段合并成一块数据,然后对这块数据进行双SHA256运算。

产量调节

Block的产量为大约每两周2016个,即每10分钟一块。该规则在每个节点的代码里都固定了。
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// 目标时间窗口长度:两周
static const int64 nTargetTimespan = 14 * 24 * 60 * 60;
// block频率,每10分钟一块
static const int64 nTargetSpacing  = 10 * 60;
// 每两周的产量2016,也是调节周期
static const int64 nInterval       = nTargetTimespan / nTargetSpacing;
但由于实际算力总是不断变化的(目前一直是快速上升的),所以需根据最近2016个块的耗费时间来调整难度值,维持每10分钟一个block的频率.

Block字段详解

  • Version,版本号,很少变动,一般用于软件全网升级时做标识
  • hashPrevBlock,前向Block Hash值,该字段强制多个Block之间形成链接
  • hashMerkleRoot,交易Hash树的根节点Hash值,起校验作用,保障Block在网络传输过程中的数据一致性,有新交易加入即发生变化
  • Time,Unix时间戳,每秒自增一,标记Block的生成时间,同时为block hash探寻引入一个频繁的变动因子
  • Bits,可以推算出难度值,用于验证block hash难度是否达标
  • Nonce,随机数,在上面数个字段都固定的情况下,不停地更换随机数来探寻

最为关键的字段是hashPrevBlock,该字段使得Block之间链接起来,形成一个巨大的“链条”。Block本是稀松平常的数据结构,但以链式结构组织起来后却使得它们具有非常深远的意义:

  1. 形成分支博弈,使得算力总是在主分支上角逐
  2. 算力攻击的概率难度呈指数上升(泊松分布)

每个block都必须指向前一个block,否则无法验证通过。追溯至源头,便是高度为零的创世纪块(Genesis Block),这里是Block Chain的起点,其前向block hash为零,或者说为空。

新block诞生过程

下面是一个简单的步骤描述,实际矿池运作会有区别,复杂一些:

  1. 节点监听全网交易,通过验证的交易进入节点的内存池(Tx Mem Pool),并更新交易数据的Merkle Hash值
  2. 更新时间戳
  3. 尝试不同的随机数(Nonce),进行hash计算
  4. 重复该过程至找到合理的hash
  5. 打包block:先装入block meta信息,然后是交易数据
  6. 对外部广播出新block
  7. 其他节点验证通过后,链接至Block Chain,主链高度加一,然后切换至新block后面挖矿

由于hashPrevBlock字段的存在,使得大家总是在最新的block后面开挖,稍后会分析原因。

主链分叉

从block hash算法我们知道,合理的block并不是唯一的,同一高度存在多个block的可能性。那么,当同一个高度出现多个时,主链即出现分叉(Fork)。遇到分叉时,网络会根据下列原则选举出Best Chain:

  1. 不同高度的分支,总是接受最高(即最长)的那条分支
  2. 相同高度的,接受难度最大的
  3. 高度相同且难度一致的,接受时间最早的
  4. 若所有均相同,则按照从网络接受的顺序
  5. 等待Block Chain高度增一,则重新选择Best Chain

按照这个规则运作的节点,称为诚实节点(Honest Nodes)。节点可以诚实也可以不诚实。

分支博弈

我们假设所有的节点:

  1. 都是理性的,追求收益最大化
  2. 都是不诚实的,且不惜任何手段获取利益

所有节点均独自挖矿不理会其他节点,并将所得收益放入自己口袋,现象就是一个节点挖一个分支。由于机器的配置总是有差别的,那么算力最强的节点挖得的分支必然是最长的,如果一个节点的分支不是最长的,意味其收益存在不被认可的风险(即零收益)。为了降低、逃避此风险,一些节点肯定会联合起来一起挖某个分支,试图成为最长的分支或保持最长分支优势。

一旦出现有少量的节点联合,那么其他节点必然会效仿,否则他们收益为零的风险会更大。于是,分支迅速合并汇集,所有节点都会选择算力更强的分支,只有这样才能保持收益风险最小。最终,只会存在一个这样的分支,就是主干分支(Best/Main Chain)。

对于不诚实节点来说,结局是无奈的:能且只能加入主干挖矿。不加入即意味被抛弃,零收益;加入就是老实干活,按占比分成。

Hash Dance

Block hash的计算是随机概率事件,当有节点广播出难度更高的block后,大家便跑到那个分支。在比特币系统运行过程中,算力经常在分支间跳来跳去,此现象称为Hash Dance。一般情况下,分支的高度为1~2,没有大的故障很难出现高于2的分支。

Hash Dance起名源于Google Dance.

算力攻击的概率

算力攻击是一个概率问题,这里作简单叙述:

  • p = 诚实节点挖出block概率
  • q = 攻击者挖出block概率,q = 1 – p
  • qz = 攻击者从z个block追上的概率

我们假设p>q,否则攻击者掌握了一半以上的算力,那么概率上永远是赢的。该事件(攻击者胜出)的概率是固定,且N次事件之间是相互独立的,那么这一系列随机过程符合泊松分布(Poisson Distribution)Z个块时,攻击者胜出的期望为lambda

攻击者在攻击时已经偷偷的计算了k个块,那么这

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