摘要：哈?，F金哈?，F金是一種工作量證明機制，在比特幣之前，哈?，F金被用于垃圾郵件的過濾。與郵件應用程序中的相比，比特幣加密電子貨幣網絡采用了不同的基于哈希的工作量證明，以實現比特幣的競爭挖掘。

工作量證明(Proof Of Work，簡稱POW)，簡單來講就是證明你完成了某一項工作。
維基百科的解釋：工作量證明系統是一種防止服務攻擊及其它服務濫用的經濟方式，它要求服務請求方完成某些工作——通常意味著需要請求方計算機完成一定計算量。這種方案的一個關鍵特征是不對成性：對請求方來說，所需要做的工作有較大難度；但對于服務提供方來說，工作量的驗證卻比較容易。
工作量證明中包含了兩層含義:

工作者需要完成的工作必須有一定的量，這個量由工作驗證者給出；

驗證者可以迅速的檢驗工作量是否達標，注意這里的檢驗完成過程必須簡單；

區(qū)塊鏈的一個關鍵點就是，一個人必須經過一系列困難的工作，才能將數據放入到區(qū)塊鏈中。正是這種困難的工作，才使得區(qū)塊鏈是安全和一致的。此外，完成這個工作的人也會獲得獎勵（這也就是通過挖礦獲得幣）。

在比特幣中，這個工作的目的是為了找到一個塊的哈希，同時這個哈希滿足了一些必要條件。這個哈希，也就充當了證明的角色。因此，尋求證明（尋找有效哈希），就是實際要做的事情。

工作量證明最常用的技術原理是哈希函數。哈希有以下幾個關鍵特性：

無法從一個哈希值恢復原始數據

對于特定的數據，只能有一個哈希，并且這個哈希是唯一的

即使是僅僅改變輸入數據中的一個字節(jié)，也會導致輸出一個完全不同的哈希

由于輸入散列函數H()的任意值n，會對應到一個H(n)結果，而n只要變動一個比特，就會引起雪崩效應(avalanche effect)，所以幾乎無法從H(n)反推回n，因此借由指定查找H(n)的特征，讓用戶進行大量的窮舉運算，就可以達成工作量證明。

在區(qū)塊鏈中，哈希被用于保證一個塊的一致性。哈希算法的輸入數據包含了前一個塊的哈希，因此使得不太可能去修改鏈中的一個塊：因為如果一個人想要修改前面一個塊的哈希，那么他必須要重新計算這個塊以及后面所有塊的哈希。

我們若指定H(n)的16進制值的前四值，求n，這樣統計上平均約要運行16的4次方次H(n)散列運算，才會得到答案，但驗算只要進行一次就可以了。如果想要增加難度，那就增加指定的位數即可。以SHA256函數舉例，假設我們要處理數據Hello World，并找出H(n)前四值為0000的n，如果從Hello World0開始加上一個十進制數ASCII進行窮舉猜測，到Hello World107105時才會得到匹配條件的H(n)：

>>> import hashlib
>>> ss = "Hello World107105".encode()
>>> hashlib.sha256(ss).hexdigest()
"0000bfe6af4232f78b0c8eba37a6ba6c17b9b8671473b0b82305880be077edd9"

而驗算時只要將Hello World107105代入SHA256函數一次即可。

哈?，F金是一種工作量證明機制，在比特幣之前，哈?，F金被用于垃圾郵件的過濾。哈希現金（hashcash ）的靈感來自于這樣一個想法，即一些數學結果難于發(fā)現而易于校驗。比特幣使用的原理就類似于HashCash。與郵件應用程序中的hashcash相比，比特幣加密電子貨幣網絡采用了不同的基于哈希的工作量證明，以實現比特幣的競爭挖掘。

盡管hashcash使用SHA-1散列，并且要求160個散列位中的前20個為零，但比特幣的工作證明使用兩個連續(xù)的SHA-256散列，并且最初需要至少256個散列位中的前32個為零。然而，比特幣網絡定期重置難度級別，以保持每小時6塊的平均創(chuàng)建速度。截至2017年8月（區(qū)塊＃478608），比特幣網絡已經要求256個哈希位中的前72個必須為零。

工作量證明的算法可以大概描述為：在一個時間段同時有多臺服務器對這一段時間的交易進行打包，打包完成后連帶區(qū)塊Header信息一起經過SHA256算法進行運算。在區(qū)塊頭以及獎勵交易coinbase里各有一個變量nonce，如果運算的結果不符合難度要求，那么就調整nonce的值繼續(xù)運算。如果有某臺服務器率先計算出了符合難度值的區(qū)塊，那么它可以廣播這個區(qū)塊。其他服務器驗證沒問題后就可以添加到現有區(qū)塊鏈上，然后大家再一起競爭下一個區(qū)塊。這個過程也稱為挖礦。

比特幣網絡中任何一個節(jié)點，如果想生成一個新的區(qū)塊并寫入區(qū)塊鏈，必須解出比特幣網絡出的工作量證明的迷題。這道題關鍵的三個要素是工作量證明函數、區(qū)塊及難度值。工作量證明函數是這道題的計算方法，區(qū)塊決定了這道題的輸入數據，難度值決定了這道題的所需要的計算量。

和我們上節(jié)例子中用到的哈希函數一樣，比特幣系統中使用的工作量證明函正是SHA256。SHA是安全散列算法（Secure Hash Algorithm）的縮寫，是一個密碼散列函數家族。這一組函數是由美國國家安全局（NSA）設計，美國國家標準與技術研究院（NIST） 發(fā)布的，主要適用于數字簽名標準。SHA256就是這個函數家族中的一個，是輸出值為256位的哈希算法。到目前為止，還沒有出現對SHA256算法的有效攻擊。

比特幣的區(qū)塊由區(qū)塊頭及該區(qū)塊所包含的交易列表組成。區(qū)塊頭的大小為80字節(jié)，由4字節(jié)的版本號、32字節(jié)的上一個區(qū)塊的散列值、32字節(jié)的Merkle Root Hash、4字節(jié)的時間綴（當前時間）、4字節(jié)的當前難度值、4字節(jié)的隨機數組成。區(qū)塊包含的交易列表則附加在區(qū)塊頭后面，其中的第一筆交易是coinbase交易，這是一筆為了讓礦工獲得獎勵及手續(xù)費的特殊交易。區(qū)塊的大致結構如下：

難度值（difficulty）是礦工們在挖礦時候的重要參考指標，它決定了礦工大約需要經過多少次哈希運算才能產生一個合法的區(qū)塊。比特幣的區(qū)塊大約每10分鐘生成一個，如果要在不同的全網算力條件下，新區(qū)塊的產生保持都基本這個速率，難度值必須根據全網算力的變化進行調整。簡單地說，難度值被設定在無論挖礦能力如何，新區(qū)塊產生速率都保持在10分鐘一個。

難度的調整是在每個完整節(jié)點中獨立自動發(fā)生的。每2016個區(qū)塊，所有節(jié)點都會按統一的公式自動調整難度，這個公式是由最新2016個區(qū)塊的花費時長與期望時長（期望時長為20160分鐘即兩周，是按每10分鐘一個區(qū)塊的產生速率計算出的總時長）比較得出的，根據實際時長與期望時長的比值，進行相應調整（或變難或變易）。也就是說，如果區(qū)塊產生的速率比10分鐘快則增加難度，比10分鐘慢則降低難度。
這個公式可以總結為如下形式：

New Difficulty = Old Difficulty * (Actual Time of Last 2016 Blocks / 20160 minutes)

我們可以把比特幣礦工解這道工作量證明迷題的步驟大致歸納如下：

生成Coinbase交易，并與其他所有準備打包進區(qū)塊的交易組成交易列表，通過Merkle Tree算法生成Merkle Root Hash

把Merkle Root Hash及其他相關字段組裝成區(qū)塊頭，將區(qū)塊頭的80字節(jié)數據（Block Header）作為工作量證明的輸入

不停的變更區(qū)塊頭中的隨機數即nonce的數值，并對每次變更后的的區(qū)塊頭做雙重SHA256運算（即SHA256(SHA256(Block_Header))），將結果值與當前網絡的目標值做對比，如果小于目標值，則解題成功，工作量證明完成。

該過程可用下圖表示：

Hash值是由數字和大小寫字母構成的字符串，每一位有62種可能性（可能為26個大寫字母、26個小寫字母，10個數字中任一個），假設任何一個字符出現的概率是均等的，那么第一位為0的概率是1/62（其他位出現什么字符先不管），理論上需要嘗試62次Hash運算才會出現一次第一位為0的情況，如果前兩2位為0，就得嘗試62的平方次Hash運算，以n個0開頭就需要嘗試62的n次方次運算。

以下是區(qū)塊鏈POW部分代碼的精簡展示，完整代碼可參考地址

#!/usr/bin/env python3
# -*- coding: utf-8 -*-

...
import hashlib
...

class Blockchain(object):
    ...

    def proof_of_work(self, last_proof):
        proof = 0
        while self.valid_proof(last_proof, proof) is False:
            proof += 1
        return proof

    @staticmethod
    def valid_proof(last_proof, proof):
        guess = f"{last_proof}{proof}".encode()
        guess_hash = hashlib.sha256(guess).hexdigest()
        return guess_hash[:4] == "0000"

參考

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Proof-of-work system - Wikipedia

什么是工作量證明？

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