挖自己的矿：POW工作量证明

作者: 空白少侠 | 来源:发表于2017-10-29 16:59 被阅读137次

在上一篇文章中我们Java搭建了一个简单的区块链原型，但是他有个缺陷：加入一个新的区块太简单了。而在真正的区块链系统如比特币中，新的区块加入不是那么简单的，必须经过大量的计算。

工作量证明（proof of work）

工作量证明是区块链中的一种共识算法。
当新的区块想加入到整个区块链的时候，需要经过一个'坎'就是达到区块链设置的某个计算任务（Block Hash算法）。
起初Block Hash算法用于垃圾邮件的防范

简述Block Hash算法

Block Hash算法：给定的一个基本的字符串"Hello, world!"，我们给出的工作量要求是，可以在这个字符串后面添加一个叫做nonce的整数值，对变更后（添加nonce)的字符串进行SHA256哈希运算，如果得到的哈希结果（以16进制的形式表示）是以"0000"开头的，则验证通过。为了达到这个工作量证明的目标。我们需要不停的递增nonce值，对得到的新字符串进行SHA256哈希运算。按照这个规则，我们需要经过4251次计算才能找到恰好前4位为0的哈希散列。


"Hello, world!0" => 1312af178c253f84028d480a6adc1e25e81caa44c749ec81976192e2ec934c64
"Hello, world!1" => e9afc424b79e4f6ab42d99c81156d3a17228d6e1eef4139be78e948a9332a7d8
"Hello, world!2" => ae37343a357a8297591625e7134cbea22f5928be8ca2a32aa475cf05fd4266b7
...
"Hello, world!4248" => 6e110d98b388e77e9c6f042ac6b497cec46660deef75a55ebc7cfdf65cc0b965
"Hello, world!4249" => c004190b822f1669cac8dc37e761cb73652e7832fb814565702245cf26ebb9e6
"Hello, world!4250" => 0000c3af42fc31103f1fdc0151fa747ff87349a4714df7cc52ea464e12dcd4e9

而0的个数可以认为挖矿难度，不难推算�：若要求0的位数越多那么需要计算的次数就会越多，所消耗的计算资源就会越大。
以上例子不难�验证

创建ProofOfWork类：

添加下面属性

    private Block mBlock;
    private BigInteger mTarget;
    public static int mDiffcult;

mBlock 持有当前进行工作量证明的区块
mtarget 计算目标
mDiffcult 所指的就是挖矿难度

而且我们将使用Java的大数类：BigInteger

�ProofOfWork的构造方法


    public ProofOfWork(Block block) {
        this.mBlock = block;
        mTarget = BigInteger.ONE;
        mTarget = mTarget.shiftLeft(256 - ProofOfWork.mDiffcult);
    }

持有需要证明的区块，初始设置为大数型的1 然后使用移位�运算：��将mtarget�左移mDiffcult位

如:
mtarget=1,左移10位后 10000000000。

然后进行数据预处理：

 private String prePareData(int nonce) {
        String result = mBlock.getmPrevBlockHash() +
                mBlock.getmData() +
                mBlock.getmTimestamp() +
                Integer.toHexString(mTarget.intValue()) +
                Integer.toHexString(nonce);
        return result;
    }

接下来就是我们的算法了

   public Map<String, String> run() {
        String hash = "";
        int nonce = 0;
        while (true) {
            String data = prePareData(nonce);
            hash = lib.SHA(data);
            BigInteger hashInt = new BigInteger(hash, 16);
            if (hashInt.compareTo(mTarget) == -1) {
                break;
            } else {
                nonce++;
            }
        }
        String validation = mBlock.getmPrevBlockHash() +
                mBlock.getmData() +
                mBlock.getmTimestamp() +
                Integer.toHexString(mTarget.intValue()) +
                Integer.toHexString(nonce);
        if (lib.SHA(validation).equals(hash)) {
            Map<String, String> map = new HashMap<>(100);
            map.put("nonce", nonce + "");
            map.put("hash", hash);
            return map;
        } else {
            return null;
        }

    }

初始化hash和nonce进入死循环：

对区块进行hash，转换为十六进制hashInt，比较两个大数（其实就是作差）
若hashInt 小于 mTarget则满足区块链设置的难度要求，跳出循环再验证。

将hash和nonce标记给当前区块。
修改Block的构造函数

 public Block(String data, String prehash) {
        this.mData = data;
        this.mPrevBlockHash = prehash;
        this.setHash();

        ProofOfWork proofOfWork = new ProofOfWork(this);
        Map<String, String> map = proofOfWork.run();

        if (map != null) {
            this.mNonce = Integer.parseInt(map.get("nonce"));
            this.mHash = map.get("hash");
            this.mNum = BlockChain.blockChain.size();

            SimpleDateFormat df = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss");
            this.mTimestamp = df.format(new Date());
            System.out.println("|-----------------------------------|");
            System.out.println("编号: \t" + mNum);
            System.out.println("nonce: \t" + mNonce);
            System.out.println("时间:\t" + this.mTimestamp);
            System.out.println("数据:\t" + this.mData);
            System.out.println("父Hash:\t" + this.mPrevBlockHash);
            System.out.println("Hash：\t" + this.mHash);
        }
    }
    private void setHash() {
        String headers = mPrevBlockHash + mData;
        mHash = lib.SHA(headers);
    }

编写测试类

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        BlockChain.newBlockchain();
        ProofOfWork.mDiffcult = 24;
        int data = 0;
        while (true) {
            BlockChain.addBlock("" + data);
            data++;
        }
    }
}

|-----------------------------------|
编号:     0
nonce:  0
时间: 2017-10-26 19:51:53
数据: Genesis
父Hash:  0
Hash：   1a2cee942b6be3b34bca97e425b59cb76f2ce08d1a575f9dc34921d1b9c3b086
|-----------------------------------|
编号:     1
nonce:  10571159
时间: 2017-10-26 19:52:41
数据: 0
父Hash:  1a2cee942b6be3b34bca97e425b59cb76f2ce08d1a575f9dc34921d1b9c3b086
Hash：   00000076d9e0adf9fe4d0a66a2ae104437c1b525108a7362464259357eb945e3
|-----------------------------------|
编号:     2
nonce:  9742798
时间: 2017-10-26 19:53:25
数据: 1
父Hash:  00000076d9e0adf9fe4d0a66a2ae104437c1b525108a7362464259357eb945e3
Hash：   0000003dc7274c9c0e4ac9097a6bfd9c21533f16c78be5cbf81337bb78a7b4fa
|-----------------------------------|
编号:     3
nonce:  15122775
时间: 2017-10-26 19:54:33
数据: 2
父Hash:  0000003dc7274c9c0e4ac9097a6bfd9c21533f16c78be5cbf81337bb78a7b4fa
Hash：   000000b227546d520ae41a0718f1d9b32026d7559589a90aeb6e3fc8c6a96d50
|-----------------------------------|
编号:     4
nonce:  5794680
时间: 2017-10-26 19:54:57
数据: 3
父Hash:  000000b227546d520ae41a0718f1d9b32026d7559589a90aeb6e3fc8c6a96d50
Hash：   000000bfe1fc16917d7faa81d3faef75a0eb43d23c7d7d4b090707157f3f295d
|-----------------------------------|
编号:     5
nonce:  20395184
时间: 2017-10-26 19:56:18
数据: 4
父Hash:  000000bfe1fc16917d7faa81d3faef75a0eb43d23c7d7d4b090707157f3f295d
Hash：   000000508ada2ccfb9bfba1518e4f5a918ac4e591b6956820125bdcae3b1d020
|-----------------------------------|
编号:     6
nonce:  25069127
时间: 2017-10-26 19:57:56
数据: 5
父Hash:  000000508ada2ccfb9bfba1518e4f5a918ac4e591b6956820125bdcae3b1d020
Hash：   000000ea709f8b4651c22dcefef75459ec491f1f6171056cf71f7cdac313563f
|-----------------------------------|
编号:     7
nonce:  9008228
时间: 2017-10-26 19:58:32
数据: 6
父Hash:  000000ea709f8b4651c22dcefef75459ec491f1f6171056cf71f7cdac313563f
Hash：   000000b58859d21f8325ab2cffdfef1280abe26cd5b6928bc01d633e7b60fff8
|-----------------------------------|
编号:     8
nonce:  12118155
时间: 2017-10-26 19:59:20
数据: 7
父Hash:  000000b58859d21f8325ab2cffdfef1280abe26cd5b6928bc01d633e7b60fff8
Hash：   000000d91eccb4c979089dec4a2411875faa38bcf3cb88a7759ef8022d3b0e73
|-----------------------------------|
编号:     9
nonce:  12413162
时间: 2017-10-26 20:00:09
数据: 8
父Hash:  000000d91eccb4c979089dec4a2411875faa38bcf3cb88a7759ef8022d3b0e73
Hash：   0000009871793ecd17c54aa63ec682f51adaf2cb64e0cc2673252a4de0b37132
|-----------------------------------|
编号:     10
nonce:  39970175
时间: 2017-10-26 20:02:51
数据: 9
父Hash:  0000009871793ecd17c54aa63ec682f51adaf2cb64e0cc2673252a4de0b37132
Hash：   000000a0f800bca93ae5cb107cc0e464a29ef58c061d94b70a91281db8749b0a
|-----------------------------------|
编号:     11
nonce:  9076542
时间: 2017-10-26 20:03:27
数据: 10
父Hash:  000000a0f800bca93ae5cb107cc0e464a29ef58c061d94b70a91281db8749b0a
Hash：   0000004b3bf11eea55e2820ba54e73fce2f88a96fa5e309039aed6248a6320ef
|-----------------------------------|
编号:     12
nonce:  7037734
时间: 2017-10-26 20:03:55
数据: 11
父Hash:  0000004b3bf11eea55e2820ba54e73fce2f88a96fa5e309039aed6248a6320ef
Hash：   000000439f7fe845508221f846a4d0136153edbeb60fa4fb9bc1d4edd4fba12c

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