比特币源码研读(5)数据结构-共识(Consensus)

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chaors   2018-11-20 23:37   4397   0
            写在前面最近有点懒散,竟然有一周没有读源码了。想来惭愧,今天重拾bitcoin源码,来看看比特币的共识机制。
我们都知道比特币采用的共识机制是工作量证明(POW),将区块链的记账的权利通过一个数学问题的解决来决定。前面,在用python搭建简单的区块链框架中,我们简单地通过一个简单的[url=https://www.jianshu.com/p/b39c361687c1][/url]模拟了POW机制的挖矿原理。
源码初窥[h2]Consensus[/h2]
  • 源码路径:.../src/consensus/params.h
  1. namespace Consensus {enum DeploymentPos{    DEPLOYMENT_TESTDUMMY,    DEPLOYMENT_CSV, // Deployment of BIP68, BIP112, and BIP113.    DEPLOYMENT_SEGWIT, // Deployment of BIP141, BIP143, and BIP147.    // NOTE: Also add new deployments to VersionBitsDeploymentInfo in versionbits.cpp    MAX_VERSION_BITS_DEPLOYMENTS};/** * Struct for each individual consensus rule change using BIP9. * **使用bip9改变共识规则的结构体 */struct BIP9Deployment {    /** Bit position to select the particular bit in nVersion. */    /**用来标志nVersion中特定位的bit*/    int bit;    /** Start MedianTime for version bits miner confirmation. Can be a date in the past */    /** 矿工确认版本位的平均开始时间。这个时间可以设置在过去*/    int64_t nStartTime;    /** Timeout/expiry MedianTime for the deployment attempt. */    /** 尝试部署的平均超时时间*/    int64_t nTimeout;    /** Constant for nTimeout very far in the future. */    static constexpr int64_t NO_TIMEOUT = std::numeric_limits::max();    /** Special value for nStartTime indicating that the deployment is always active.     *  This is useful for testing, as it means tests don't need to deal with the activation     *  process (which takes at least 3 BIP9 intervals). Only tests that specifically test the     *  behaviour during activation cannot use this. */    static constexpr int64_t ALWAYS_ACTIVE = -1;};/** * Parameters that influence chain consensus. * **影响链条共识的参数 */struct Params {    uint256 hashGenesisBlock;               //创世区块哈希    int nSubsidyHalvingInterval;            //区块奖励减半的时间间隔    /** Block height at which BIP16 becomes active */    int BIP16Height;                        //区块高度    /** Block height and hash at which BIP34 becomes active */    int BIP34Height;                            uint256 BIP34Hash;                      //区块重量    /** Block height at which BIP65 becomes active */    int BIP65Height;    /** Block height at which BIP66 becomes active */    int BIP66Height;    /**     * Minimum blocks including miner confirmation of the total of 2016 blocks in a retargeting period,     * (nPowTargetTimespan / nPowTargetSpacing) which is also used for BIP9 deployments.     * Examples: 1916 for 95%, 1512 for testchains.     *     **在2016个区块中至少要有多少个区块被矿工认可,规则改变才生效     * 在BIP9部署时还是使用(nPowTargetTimespan / nPowTargetSpacing)     * eg:1916 for 95%, 1512 for 测试链     */    uint32_t nRuleChangeActivationThreshold;    uint32_t nMinerConfirmationWindow;    BIP9Deployment vDeployments[MAX_VERSION_BITS_DEPLOYMENTS];    /** Proof of work parameters */    /**POW参数*/    uint256 powLimit;                       //难度    bool fPowAllowMinDifficultyBlocks;      //是否允许最低难度    bool fPowNoRetargeting;                 //不调整难度    int64_t nPowTargetSpacing;              //区块产生平均时间    int64_t nPowTargetTimespan;             //难度调整时间  10    //难度调整的比例    int64_t DifficultyAdjustmentInterval() const { return nPowTargetTimespan / nPowTargetSpacing; }    uint256 nMinimumChainWork;              //当前难度调整最小值    uint256 defaultAssumeValid;             //再次区块之前的区块都认为是有效的};} // namespace Consensus
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[h2]Pow[/h2]
  • 源码路径:.../src/pow.cpp
  1. //获取下一次需要的工作量量unsigned int GetNextWorkRequired(const CBlockIndex* pindexLast, const CBlockHeader *pblock, const Consensus::Params& params){    assert(pindexLast != nullptr);    //工作量证明的限制值    unsigned int nProofOfWorkLimit = UintToArith256(params.powLimit).GetCompact();    // Only change once per difficulty adjustment interval    // 难度发生调整时才有所改变    if ((pindexLast->nHeight+1) % params.DifficultyAdjustmentInterval() != 0)    {        // 判断是否允许最小难度值        if (params.fPowAllowMinDifficultyBlocks)        {            // Special difficulty rule for testnet:            // If the new block's timestamp is more than 2* 10 minutes            // then allow mining of a min-difficulty block.            /**测试网络的特殊难度规则:             * 如果新区块的时间戳超过两个区块的产生时间20min,那么返回限制挖矿难度            */            if (pblock->GetBlockTime() > pindexLast->GetBlockTime() + params.nPowTargetSpacing*2)                return nProofOfWorkLimit;            else            {                // Return the last non-special-min-difficulty-rules-block                const CBlockIndex* pindex = pindexLast;                while (pindex->pprev && pindex->nHeight % params.DifficultyAdjustmentInterval() != 0 && pindex->nBits == nProofOfWorkLimit)                    pindex = pindex->pprev;                return pindex->nBits;            }        }        //返回新区快的nBits值        return pindexLast->nBits;    }    // Go back by what we want to be 14 days worth of blocks    int nHeightFirst = pindexLast->nHeight - (params.DifficultyAdjustmentInterval()-1);    assert(nHeightFirst >= 0);    const CBlockIndex* pindexFirst = pindexLast->GetAncestor(nHeightFirst);    assert(pindexFirst);    //计算工作量证明    return CalculateNextWorkRequired(pindexLast, pindexFirst->GetBlockTime(), params);}//计算工作量证明unsigned int CalculateNextWorkRequired(const CBlockIndex* pindexLast, int64_t nFirstBlockTime, const Consensus::Params& params){       //如果不调整难度值    if (params.fPowNoRetargeting)        return pindexLast->nBits;    // Limit adjustment step    // 难度调整的限制    int64_t nActualTimespan = pindexLast->GetBlockTime() - nFirstBlockTime;    if (nActualTimespan < params.nPowTargetTimespan/4)        nActualTimespan = params.nPowTargetTimespan/4;    if (nActualTimespan > params.nPowTargetTimespan*4)        nActualTimespan = params.nPowTargetTimespan*4;    // Retarget    //计算调整后的难度值    const arith_uint256 bnPowLimit = UintToArith256(params.powLimit);    arith_uint256 bnNew;    bnNew.SetCompact(pindexLast->nBits);    bnNew *= nActualTimespan;    bnNew /= params.nPowTargetTimespan;    if (bnNew > bnPowLimit)        bnNew = bnPowLimit;    return bnNew.GetCompact();}//检验工作量证明bool CheckProofOfWork(uint256 hash, unsigned int nBits, const Consensus::Params& params){    bool fNegative;    bool fOverflow;    arith_uint256 bnTarget;    bnTarget.SetCompact(nBits, &fNegative, &fOverflow);    // Check range    if (fNegative || bnTarget == 0 || fOverflow || bnTarget > UintToArith256(params.powLimit))        return false;    // Check proof of work matches claimed amount    if (UintToArith256(hash) > bnTarget)        return false;    return true;}
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[h2]比特币的共识机制(Pow)[/h2]每一个链上的区块在加入区块链之前都做了大量的计算,因此要想修改某一块的某些交易数据的成本是极其大的。这也是比特币不可篡改特性的一个重要技术依据。
工作量证明本质是在计算一个符合系统设定条件的哈希值,这个哈希值是通过对区块头信息进行哈希得到的。为了得到这个符合条件的哈希值,必须创建一个不超过特定值的区块块头的哈希。例如,如果最大可能的散列值是2 256 - 1,则可以通过产生小于2 255的散列值来证明您尝试了两种组合。
如果新的区块的哈希值符合共识协议期望的目标难度值条件,那么只会将新区块添加到区块链中。每2016 个块网络使用存储在每个区块头中的时间戳 来计算在生成最后2016 个区块的第一个和最后一个之间所经过的秒数。理想值是1209600秒(两周)。
  • 如果生成2016 个区块的时间少于两个星期,则预期难度值会按比例增加(最多达300%),以便下一个2016 [个块]应该花费两周时间,以便以相同速率检查哈希值。
  • 如果花费两个多星期来生成这些区块,出于同样的原因,预期的 难度值会成比例地下降(最高达75%)。
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[h2]互联网颠覆世界,区块链颠覆互联网![/h2]
--------------------------------------------------20180502 23:03
         
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