摘要：哈希函數(shù)被廣泛用于檢測(cè)數(shù)據(jù)的一致性。在區(qū)塊鏈中，哈希被用于保證一個(gè)塊的一致性。比特幣使用，一個(gè)最初用來防止垃圾郵件的工作量證明算法。下面是與前面例子哈希的形式化比較第一個(gè)哈希基于計(jì)算比目標(biāo)要大，因此它并不是一個(gè)有效的工作量證明。

翻譯的系列文章我已經(jīng)放到了 GitHub 上：blockchain-tutorial，后續(xù)如有更新都會(huì)在 GitHub 上，可能就不在這里同步了。如果想直接運(yùn)行代碼，也可以 clone GitHub 上的教程倉庫，進(jìn)入 src 目錄執(zhí)行 make 即可。

在前面一文中，我們構(gòu)造了一個(gè)非常簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，這個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)也是整個(gè)區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)庫的核心。目前所完成的區(qū)塊鏈原型，已經(jīng)可以通過鏈?zhǔn)疥P(guān)系把區(qū)塊相互關(guān)聯(lián)起來：每個(gè)塊都被連接到前一個(gè)塊。

但是，我們實(shí)現(xiàn)的區(qū)塊鏈有一個(gè)巨大的缺點(diǎn)：向鏈中加入?yún)^(qū)塊太容易和廉價(jià)了。而區(qū)塊鏈和比特幣的其中一個(gè)核心就是，要想加入新的區(qū)塊，必須先完成一些非常困難的工作。在本文，我們將會(huì)解決這個(gè)缺點(diǎn)。

區(qū)塊鏈的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)就是，一個(gè)人必須經(jīng)過一系列困難的工作，才能將數(shù)據(jù)放入到區(qū)塊鏈中。正是這種困難的工作，才使得區(qū)塊鏈?zhǔn)前踩鸵恢碌摹４送猓瓿蛇@個(gè)工作的人也會(huì)獲得獎(jiǎng)勵(lì)（這也就是通過挖礦獲得幣）。

這個(gè)機(jī)制與生活的一個(gè)現(xiàn)象非常類似：一個(gè)人必須通過努力工作，才能夠獲得回報(bào)或者獎(jiǎng)勵(lì)，用以支撐他們的生活。在區(qū)塊鏈中，是通過網(wǎng)絡(luò)中的參與者（礦工）不斷的工作來支撐整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，也就是礦工不斷地向區(qū)塊鏈中加入新塊，然后獲得相應(yīng)的獎(jiǎng)勵(lì)。作為他們努力工作的結(jié)果，新生成的區(qū)塊就能夠被安全地被加入到區(qū)塊鏈中，這種機(jī)制維護(hù)了整個(gè)區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)庫的穩(wěn)定性。值得注意的是，完成了這個(gè)工作的人必須要證明這一點(diǎn)，他必須要證明確實(shí)是他完成了這些工作。

整個(gè) “努力工作并進(jìn)行證明” 的機(jī)制，就叫做工作量證明（proof-of-work）。要想完成工作非常地不容易，因?yàn)檫@需要大量的計(jì)算能力：即便是高性能計(jì)算機(jī)，也無法在短時(shí)間內(nèi)快速完成。此外，這個(gè)工作的困難度會(huì)隨著時(shí)間不斷增長(zhǎng)，以保持每個(gè)小時(shí)大概出 6 個(gè)新塊的速度。在比特幣中，這個(gè)工作的目的是為了找到一個(gè)塊的哈希，同時(shí)這個(gè)哈希滿足了一些必要條件。這個(gè)哈希，也就充當(dāng)了證明的角色。因此，尋求證明（尋找有效哈希），就是實(shí)際要做的事情。

在本節(jié)中，我們會(huì)討論哈希計(jì)算。如果你已經(jīng)熟悉了這個(gè)概念，可以跳過這一節(jié)。

獲得指定數(shù)據(jù)的一個(gè)哈希值的過程，就叫做哈希計(jì)算。一個(gè)哈希，就是對(duì)所計(jì)算數(shù)據(jù)的一個(gè)唯一的表示。一個(gè)哈希函數(shù)輸入任意大小的數(shù)據(jù)，輸出一個(gè)固定大小的哈希值。下面是哈希的幾個(gè)關(guān)鍵特性：

無法從一個(gè)哈希值恢復(fù)原始數(shù)據(jù)。也就是說，哈希并不是加密。

對(duì)于特定的數(shù)據(jù)，只能有一個(gè)哈希，并且這個(gè)哈希是唯一的。

即使是僅僅改變輸入數(shù)據(jù)中的一個(gè)字節(jié)，也會(huì)導(dǎo)致輸出一個(gè)完全不同的哈希。

哈希函數(shù)被廣泛用于檢測(cè)數(shù)據(jù)的一致性。一些軟件提供者除了提供軟件包以外，還會(huì)發(fā)布校驗(yàn)和。當(dāng)下載完一個(gè)文件以后，你可以用哈希函數(shù)對(duì)下載好的文件計(jì)算一個(gè)哈希，并與作者提供的哈希進(jìn)行比較，以此來保證文件下載的完整性。

在區(qū)塊鏈中，哈希被用于保證一個(gè)塊的一致性。哈希算法的輸入數(shù)據(jù)包含了前一個(gè)塊的哈希，因此使得不太可能（或者，至少很困難）去修改鏈中的一個(gè)塊：因?yàn)槿绻粋€(gè)人想要修改前面一個(gè)塊的哈希，那么他必須要重新計(jì)算這個(gè)塊以及后面所有塊的哈希。

比特幣使用 Hashcash ，一個(gè)最初用來防止垃圾郵件的工作量證明算法。它可以被分解為以下步驟：

取一些公開的數(shù)據(jù)（比如，如果是 email 的話，它可以是接收者的郵件地址；在比特幣中，它是區(qū)塊頭）

給這個(gè)公開數(shù)據(jù)添加一個(gè)計(jì)數(shù)器。計(jì)數(shù)器默認(rèn)從 0 開始

將 data(數(shù)據(jù)) 和 counter(計(jì)數(shù)器) 組合到一起，獲得一個(gè)哈希

檢查哈希是否符合一定的條件：

如果符合條件，結(jié)束

如果不符合，增加計(jì)數(shù)器，重復(fù)步驟 3-4

因此，這是一個(gè)暴力算法：改變計(jì)數(shù)器，計(jì)算一個(gè)新的哈希，檢查，增加計(jì)數(shù)器，計(jì)算一個(gè)哈希，檢查，如此反復(fù)。這也是為什么說它是在計(jì)算上是非常昂貴的，因?yàn)檫@一步需要如此反復(fù)不斷地計(jì)算和檢查。

現(xiàn)在，讓我們來仔細(xì)看一下一個(gè)哈希要滿足的必要條件。在原始的 Hashcash 實(shí)現(xiàn)中，它的要求是 “一個(gè)哈希的前 20 位必須是 0”。在比特幣中，這個(gè)要求會(huì)隨著時(shí)間而不斷變化。因?yàn)榘凑赵O(shè)計(jì)，必須保證每 10 分鐘生成一個(gè)塊，而不論計(jì)算能力會(huì)隨著時(shí)間增長(zhǎng)，或者是會(huì)有越來越多的礦工進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)，所以需要?jiǎng)討B(tài)調(diào)整這個(gè)必要條件。

為了闡釋這一算法，我從前一個(gè)例子（“I like donuts”）中取得數(shù)據(jù)，并且找到了一個(gè)前 3 個(gè)字節(jié)是全是 0 的哈希。

ca07ca 是計(jì)數(shù)器的 16 進(jìn)制值，十進(jìn)制的話是 13240266.

好了，完成了理論層面，來開始寫代碼吧！首先，定義挖礦的難度值：

const targetBits = 24

在比特幣中，當(dāng)一個(gè)塊被挖出來以后，“target bits” 代表了區(qū)塊頭里存儲(chǔ)的難度。這里的 24 指的是算出來的哈希前 24 位必須是 0，用 16 進(jìn)制表示化的話，就是前 6 位必須是 0，這一點(diǎn)可以在最后的輸出可以看出來。目前不會(huì)實(shí)現(xiàn)一個(gè)動(dòng)態(tài)調(diào)整目標(biāo)的算法，所以將難度定義為一個(gè)全局的常量即可。

24 其實(shí)是一個(gè)可以任意取的數(shù)字，目的是要有一個(gè)目標(biāo)（target）而已，這個(gè)目標(biāo)占據(jù)不到 256 位的內(nèi)存空間。同時(shí)，我們想要有足夠的差異性，但是又不至于大的過分，因?yàn)椴町愋栽酱螅驮诫y找到一個(gè)合適的哈希。

type ProofOfWork struct {
    block  *Block
    target *big.Int
}

func NewProofOfWork(b *Block) *ProofOfWork {
    target := big.NewInt(1)
    target.Lsh(target, uint(256-targetBits))

    pow := &ProofOfWork{b, target}

    return pow
}

這里，我們構(gòu)造了 ProofOfWork 結(jié)構(gòu)，里面存儲(chǔ)了指向一個(gè)塊和一個(gè)目標(biāo)的指針。“目標(biāo)” ，也就是前一節(jié)中所描述的必要條件。這里使用了一個(gè) 大 整數(shù)，我們將哈希與目標(biāo)進(jìn)行比較：先把一個(gè)哈希轉(zhuǎn)換成一個(gè)大整數(shù)，然后檢測(cè)它是否小于目標(biāo)。

在 NewProofOfWork 函數(shù)中，我們將 big.Int 初始化為 1，然后左移 256 - targetBits 位。256 是一個(gè) SHA-256 哈希的位數(shù)，我們將要使用的是 SHA-256 哈希算法。target（目標(biāo)） 的 16 進(jìn)制形式為：

0x10000000000000000000000000000000000000000000000000000000000

它在內(nèi)存上占據(jù)了 29 個(gè)字節(jié)。下面是與前面例子哈希的形式化比較：

0fac49161af82ed938add1d8725835cc123a1a87b1b196488360e58d4bfb51e3
0000010000000000000000000000000000000000000000000000000000000000
0000008b0f41ec78bab747864db66bcb9fb89920ee75f43fdaaeb5544f7f76ca

第一個(gè)哈希（基于 “I like donuts” 計(jì)算）比目標(biāo)要大，因此它并不是一個(gè)有效的工作量證明。第二個(gè)哈希（基于 “I like donutsca07ca” 計(jì)算）比目標(biāo)要小，所以是一個(gè)有效的證明。

譯者注：評(píng)論有人提出上面的形式化比較有些“言不符實(shí)”，其實(shí)它應(yīng)該并非由 “I like donuts” 而來，但是原文作者表達(dá)的意思是沒問題的，可能是疏忽而已。下面是我做的一個(gè)小實(shí)驗(yàn)：

package main

import (
    "crypto/sha256"
    "fmt"
    "math/big"
)

func main() {

    data1 := []byte("I like donuts")
    data2 := []byte("I like donutsca07ca")
    targetBits := 24
    target := big.NewInt(1)
    target.Lsh(target, uint(256-targetBits))
    fmt.Printf("%x
", sha256.Sum256(data1))
    fmt.Printf("%64x
", target)
    fmt.Printf("%x
", sha256.Sum256(data2))

}

輸出：

你可以把目標(biāo)想象為一個(gè)范圍的上界：如果一個(gè)數(shù)（由哈希轉(zhuǎn)換而來）比上界要小，那么這是有效的，反之無效。因?yàn)橐蟊壬辖缫。詴?huì)導(dǎo)致更少的有效數(shù)字。因此，也就需要通過困難的工作（一系列反復(fù)的計(jì)算），才能找到一個(gè)有效的數(shù)字。

現(xiàn)在，我們需要有數(shù)據(jù)來進(jìn)行哈希，準(zhǔn)備數(shù)據(jù)：

func (pow *ProofOfWork) prepareData(nonce int) []byte {
    data := bytes.Join(
        [][]byte{
            pow.block.PrevBlockHash,
            pow.block.Data,
            IntToHex(pow.block.Timestamp),
            IntToHex(int64(targetBits)),
            IntToHex(int64(nonce)),
        },
        []byte{},
    )

    return data
}

這個(gè)部分比較直觀：只需要將 target ，nonce 與 Block 進(jìn)行合并。這里的 nonce ，就是上面 Hashcash 所提到的計(jì)數(shù)器，它是一個(gè)密碼學(xué)術(shù)語。

很好，到這里，所有的準(zhǔn)備工作就完成了，下面來實(shí)現(xiàn) PoW 算法的核心：

func (pow *ProofOfWork) Run() (int, []byte) {
    var hashInt big.Int
    var hash [32]byte
    nonce := 0

    fmt.Printf("Mining the block containing "%s"
", pow.block.Data)
    for nonce < maxNonce {
        data := pow.prepareData(nonce)
        hash = sha256.Sum256(data)
        hashInt.SetBytes(hash[:])

        if hashInt.Cmp(pow.target) == -1 {
            fmt.Printf("
%x", hash)
            break
        } else {
            nonce++
        }
    }
    fmt.Print("

")

    return nonce, hash[:]
}

首先我們對(duì)變量進(jìn)行初始化：

HashInt 是 hash 的整形表示；

nonce 是計(jì)數(shù)器。

然后開始一個(gè) “無限” 循環(huán)：maxNonce 對(duì)這個(gè)循環(huán)進(jìn)行了限制, 它等于 math.MaxInt64。這是為了避免 nonce 可能出現(xiàn)的溢出。盡管我們的 PoW 實(shí)現(xiàn)的難度太小了，以至于計(jì)數(shù)器其實(shí)不太可能會(huì)溢出，但最好還是以防萬一檢查一下。

在這個(gè)循環(huán)中，我們做的事情有：

準(zhǔn)備數(shù)據(jù)

用 SHA-256 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行哈希

將哈希轉(zhuǎn)換成一個(gè)大整數(shù)

將這個(gè)大整數(shù)與目標(biāo)進(jìn)行比較

跟之前所講的一樣簡(jiǎn)單。現(xiàn)在我們可以移除 Block 的 SetHash 方法，然后修改 NewBlock 函數(shù)：

func NewBlock(data string, prevBlockHash []byte) *Block {
    block := &Block{time.Now().Unix(), []byte(data), prevBlockHash, []byte{}, 0}
    pow := NewProofOfWork(block)
    nonce, hash := pow.Run()

    block.Hash = hash[:]
    block.Nonce = nonce

    return block
}

在這里，你可以看到 nonce 被保存為 Block 的一個(gè)屬性。這是十分有必要的，因?yàn)榇龝?huì)兒我們需要用 nonce 來對(duì)這個(gè)工作量進(jìn)行證明。Block 結(jié)構(gòu)現(xiàn)在看起來像是這樣：

type Block struct {
    Timestamp     int64
    Data          []byte
    PrevBlockHash []byte
    Hash          []byte
    Nonce         int
}

好了！現(xiàn)在讓我們來運(yùn)行一下是否正常工作：

Mining the block containing "Genesis Block"
00000041662c5fc2883535dc19ba8a33ac993b535da9899e593ff98e1eda56a1

Mining the block containing "Send 1 BTC to Ivan"
00000077a856e697c69833d9effb6bdad54c730a98d674f73c0b30020cc82804

Mining the block containing "Send 2 more BTC to Ivan"
000000b33185e927c9a989cc7d5aaaed739c56dad9fd9361dea558b9bfaf5fbe

Prev. hash:
Data: Genesis Block
Hash: 00000041662c5fc2883535dc19ba8a33ac993b535da9899e593ff98e1eda56a1

Prev. hash: 00000041662c5fc2883535dc19ba8a33ac993b535da9899e593ff98e1eda56a1
Data: Send 1 BTC to Ivan
Hash: 00000077a856e697c69833d9effb6bdad54c730a98d674f73c0b30020cc82804

Prev. hash: 00000077a856e697c69833d9effb6bdad54c730a98d674f73c0b30020cc82804
Data: Send 2 more BTC to Ivan
Hash: 000000b33185e927c9a989cc7d5aaaed739c56dad9fd9361dea558b9bfaf5fbe

成功了！你可以看到每個(gè)哈希都是 3 個(gè)字節(jié)的 0 開始，并且獲得這些哈希需要花費(fèi)一些時(shí)間。

還剩下一件事情需要做，對(duì)工作量證明進(jìn)行驗(yàn)證：

func (pow *ProofOfWork) Validate() bool {
    var hashInt big.Int

    data := pow.prepareData(pow.block.Nonce)
    hash := sha256.Sum256(data)
    hashInt.SetBytes(hash[:])

    isValid := hashInt.Cmp(pow.target) == -1

    return isValid
}

這里，就是我們就用到了上面保存的 nonce。

再來檢測(cè)一次是否正常工作：

func main() {
    ...

    for _, block := range bc.blocks {
        ...
        pow := NewProofOfWork(block)
        fmt.Printf("PoW: %s
", strconv.FormatBool(pow.Validate()))
        fmt.Println()
    }
}

輸出：

...

Prev. hash:
Data: Genesis Block
Hash: 00000093253acb814afb942e652a84a8f245069a67b5eaa709df8ac612075038
PoW: true

Prev. hash: 00000093253acb814afb942e652a84a8f245069a67b5eaa709df8ac612075038
Data: Send 1 BTC to Ivan
Hash: 0000003eeb3743ee42020e4a15262fd110a72823d804ce8e49643b5fd9d1062b
PoW: true

Prev. hash: 0000003eeb3743ee42020e4a15262fd110a72823d804ce8e49643b5fd9d1062b
Data: Send 2 more BTC to Ivan
Hash: 000000e42afddf57a3daa11b43b2e0923f23e894f96d1f24bfd9b8d2d494c57a
PoW: true

從下圖可以看出，這次我們產(chǎn)生三個(gè)塊花費(fèi)了一分多鐘，比沒有工作量證明之前慢了很多（也就是成本高了很多）：

我們的區(qū)塊鏈離真正的區(qū)塊鏈又進(jìn)了一步：現(xiàn)在需要經(jīng)過一些困難的工作才能加入新的塊，因此挖礦就有可能了。但是，它還缺少一些至關(guān)重要的特性：區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)庫并不是持久化的，沒有錢包，地址，交易，也沒有共識(shí)機(jī)制。不過，所有的這些，我們都會(huì)在接下來的文章中實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)在，愉快地挖礦吧！

鏈接：

Full source codes

Blockchain hashing algorithm

Proof of work

Hashcash

本文源代碼：part_2

原文：

Building Blockchain in Go. Part 2: Proof-of-Work